/
Tags: наземные средства транспорта (кроме рельсовых) автодорожный транспорт
ISBN: 978-985-475-564-9
Text
Е.Л. САВИЧ
ЛЕГКОВЫЕ
АВТОМОБИЛИ
2-е издание, переработанное и дополненное
Утверждено
Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебника для студентов
учреждений высшего образования
по специальностям «Техническая эксплуатация
автомобилей», «Автосервис»
Минск
«Новое знание»
Москва
«ИНФРАМ»
2013
УДК 629.33(075.8)
ББК 39.33я73
С13
Рецензенты :
кандидат технических наук, профессор кафедры «Ремонт тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин» Белорусского аграрного технического университета В.П. Миклуш;
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Техническая
эксплуатация автомобилей» ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет» Н.А. Коваленко
C13
Савич, Е.Л.
Легковые автомобили : учебник / Е.Л. Савич. — 2-е изд.,
перераб. и доп. — Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М,
2013. — 758 с. : ил. — (Высшее образование: Бакалавриат).
ISBN 978-985-475-564-9 (Новое знание)
ISBN 978-5-16-006766-7 (ИНФРА-М)
Рассматриваются конструкции и отличительные особенности самых современных легковых автомобилей ведущих мировых производителей. Приводится подробное описание отдельных механизмов
и систем автомобилей и принцип их действия. Особое внимание уделяется электронным системам управления современного легкового
автомобиля.
Для студентов специальностей «Автосервис», других специальностей автомобильного направления, а также для курсов повышения
квалификации. Будет полезен работникам организаций автосервиса,
автотранспортных предприятий и автолюбителям.
УДК 629.33(075.8)
ББК 39.33я73
ISBN 978-985-475-564-9 (Новое знание)
ISBN 978-5-16-006766-7 (ИНФРА-М)
© Савич Е.Л., 2009
© Савич Е.Л., 2013, с изменениями
© ООО «Новое знание», 2013
Оглавление
Предисловие................................................................................................................................7
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем....................................9
1.1. Общая компоновка электронной системы управления.....................................9
1.2. Электронный блок управления................................................................................10
1.3. Системы передачи данных.........................................................................................21
Глава 2. Механизмы двигателя.......................................................................................40
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм............40
2.2. Газораспределительный механизм..........................................................................62
2.2.1. Гидравлические толкатели..............................................................................62
2.2.2. Системы изменения фаз газораспределения...........................................65
2.2.3. Системы изменения высоты подъема клапана........................................74
2.3. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя..............................93
2.3.1. Турбонаддув..........................................................................................................93
2.3.2. Охлаждение наддувочного воздуха (интеркулляция)...................... 103
2.4. Безнаддувные способы подачи дополнительного воздуха.......................... 106
2.4.1. Резонансные впускные трубопроводы.................................................... 106
2.4.2. Впускной коллектор переменной геометрии........................................ 107
2.5. Роторный двигатель Вигриянова.......................................................................... 109
Глава 3. Системы охлаждения...................................................................................... 113
3.1. Двухконтурные системы охлаждения................................................................. 113
3.2. Система охлаждения с электронным регулированием................................. 116
3.3. Электрический жидкостный насос...................................................................... 122
Глава 4. Системы смазки................................................................................................ 125
4.1. Система смазки легкового автомобиля.............................................................. 125
4.2. Системы отделения масла от картерных газов................................................ 131
4.3. Электронная система контроля уровня масла................................................. 135
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей............................................ 138
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы .
впрыска Motronic....................................................................................................... 139
5.2. Устройство и принцип действия электронной системы
одноточечного впрыска (моносистемы)............................................................ 177
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска бензиновых
двигателей..................................................................................................................... 181
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура............................................................. 201
6.1. Общие положения...................................................................................................... 202
6.2. Электронные системы управления рядными ТНВД.................................... 204
4
Оглавление
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
высокого давления Bosch VE................................................................................ 210
6.3.1. Топливные насосы без электронного управления .
Bosch VE............................................................................................................. 210
6.3.2. Топливные насосы с электронным управлением типа .
Bosch VE............................................................................................................. 232
6.4. Аккумуляторные топливные системы с электронным
управлением Common Rail..................................................................................... 251
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками.................................................. 272
6.6. Топливные системы насос — форсунка — трубопровод............................... 290
Глава 7. Электронные системы питания двигателей,
работающих на газовом топливе................................................................................. 294
7.1. Электронные системы питания двигателя, работающего
на сжиженном нефтяном газе................................................................................ 294
7.2. Электронные системы питания двигателя, работающего
на природном газе...................................................................................................... 299
Глава 8. Система зажигания.......................................................................................... 308
8.1. Статические системы зажигания.......................................................................... 308
8.2. Современные разработки свечей зажигания.................................................... 322
8.3. Воспламенение топливовоздушной смеси бензинового двигателя
от сжатия....................................................................................................................... 327
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска....................................................... 329
9.1. Аккумуляторная батарея......................................................................................... 329
9.2. Генератор........................................................................................................................ 339
9.3. Стартер........................................................................................................................... 342
Глава 10. Системы освещения...................................................................................... 349
10.1. Типы систем освещения......................................................................................... 349
10.2. Источники света....................................................................................................... 360
Глава 11. Трансмиссия..................................................................................................... 368
11.1. Сцепление.................................................................................................................... 368
11.2. Механические коробки передач без электронного управления.............. 373
11.3. Механические коробки передач с электронным управлением................ 380
11.4. Автоматические коробки передач...................................................................... 395
11.4.1. Автоматические гидромеханические коробки передач................ 395
11.4.2. Бесступенчатые коробки передач......................................................... 420
11.5. Полноприводная трансмиссия............................................................................ 428
11.5.1. Общие положения...................................................................................... 428
11.5.2. Муфта Haldex.............................................................................................. 431
Оглавление
5
11.5.3. Вискомуфта.................................................................................................. 440
10.5.4. Дифференциал Torsen............................................................................... 441
11.5.5. Самоблокирующиеся дифференциалы.............................................. 443
Глава 12. Ходовая часть.................................................................................................. 452
12.1. Общие положения.................................................................................................... 452
12.2. Амортизаторы............................................................................................................ 453
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета................................................ 461
12.4. Отключаемые стабилизаторы поперечной устойчивости......................... 485
12.5. Шины и диски колес............................................................................................... 489
12.5.1. Шины.............................................................................................................. 489
12.5.2. Диски колес.................................................................................................. 501
Глава 13. Рулевое управление...................................................................................... 506
13.1. Гидравлические усилители................................................................................... 506
13.1.1. Гидравлический усилитель рулевого управления
без электронного управления................................................................ 506
13.1.2. Гидравлический усилитель рулевого управления
с применением электрогидравлического
преобразователя и электронным управлением............................... 510
13.1.3. Гидравлический усилитель рулевого управления
с приводом насоса от электродвигателя............................................ 516
13.2. Электроусилители рулевого управления........................................................ 520
13.3. Рулевое управление с двумя управляемыми осями.................................... 530
Глава 14. Тормозная система........................................................................................ 536
14.1. Антиблокировочные тормозные системы....................................................... 536
14.2. Электромеханические тормозные системы.................................................... 554
14.3. Стояночный тормоз................................................................................................. 557
14.3.1. Стояночный тормоз винт — гайка....................................................... 557
14.3.2. Стояночный тормоз с электроприводом........................................... 561
14.4. Композитные тормозные диски и колодки.................................................... 569
Глава 15. Системы безопасности................................................................................. 572
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем.............. 572
15.1.1. Общие положения...................................................................................... 572
15.1.2. Система динамической стабилизации управления
автомобилем................................................................................................. 576
15.2. Система активного распределения крутящего момента............................ 593
15.3. Динамическое рулевое управление................................................................... 598
15.4. Круиз-контроль и система автоматического регулирования
дистанции.................................................................................................................... 600
15.5. Активные системы безопасности........................................................................ 610
6
Оглавление
15.6. Системы парковки................................................................................................... 618
15.7. Системы пассивной безопасности...................................................................... 630
15.8. Вспомогательные средства безопасности........................................................ 660
Глава 16. Системы комфорта........................................................................................ 670
16.1. Системы кондиционирования воздуха и климат-контроля..................... 670
16.2. Индивидуальные отопители‑подогреватели.................................................. 685
16.3. Системы навигации................................................................................................. 688
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
легковых автомобилей..................................................................................................... 700
17.1. Нейтрализация отработавших газов................................................................. 700
17.2. Рециркуляция отработавших газов................................................................... 717
17.3. Система вентиляции топливного бака............................................................. 721
17.4. Система подачи добавочного воздуха............................................................... 723
17.5. Рекуперация энергии отработавших газов..................................................... 725
17.6. Система стоп-старт.................................................................................................. 726
17.7. Гибридные автомобили.......................................................................................... 731
17.8. Дополнительные устройства по снижению загрязнения
окружающей среды.................................................................................................. 741
17.8.1. Дополнения к бензиновым двигателям автомобилей
с автоматической коробкой передач................................................... 741
17.8.2. Радиатор с каталитическим покрытием............................................ 744
Глава 18. Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля.... 747
Литература.......................................................................................................................... 756
Предисловие
Современный рынок легковых автомобилей характеризуется
многообразием моделей, которые отличаются назначением, ценой,
а также динамическими, экологическими и топливно-экономиче
скими свойствами, что особенно характерно для автомобилей ведущих мировых производителей. Это связано главным образом
с рынком потребления автомобилей и возникающей при этом конкуренции производителей, стремящихся удовлетворить запросы
потребителей, а также постоянно возрастающими требованиями
к повышению комфорта, снижению негативного воздействия автомобиля на окружающую среду и повышению безопасности автомобиля при его эксплуатации.
Современные легковые автомобили имеют свои особенности,
связанные с применением при производстве электронных систем
управления автомобилей, антиблокировочных тормозных систем,
систем курсовой устойчивости, систем снижения токсичности отработавших газов, систем комфорта и т.д. Несмотря на различия
в конструкциях автомобилей различных производителей, можно
выделить общие тенденции в их развитии, характерные для большинства легковых автомобилей.
Русскоязычная литература описывает в основном конструкции
легковых автомобилей производства России. Однако легковые автомобили стран Западной Европы, Японии и Америки имеют свои
конструктивные особенности, которые не характерны для автомобилей, ранее эксплуатировавшихся в странах СНГ. Конструкции
легковых автомобилей производства стран СНГ также совершенствуются по передовым образцам известных производителей.
Литература, в которой рассматриваются особенности устройства легковых автомобилей, как правило, переводная и посвящена
разработкам отдельных агрегатов, систем и узлов определенного
производителя. Пособий, посвященных целостному изучению конструкций легковых автомобилей независимо от страны-изготови
теля, в настоящее время крайне мало.
Автор, профессор кафедры «Техническая эксплуатация автомобилей» Белорусского национального технического университета,
провел анализ конструкций узлов, агрегатов и систем легковых
автомобилей наиболее известных мировых производителей. На ос
нове данного анализа в предлагаемом учебнике в доступной форме
8
Предисловие
с применением обширного иллюстративного материала впервые
описаны отличительные особенности легковых автомобилей, эксплуатирующихся не только в странах дальнего зарубежья, но
и странах СНГ. Особое внимание уделяется электронным системам управления современного легкового автомобиля.
Книга предназначена для изучения конструкции автомобилей
студентами высших учебных заведений, может использоваться
в системе среднего специального и профессионального обучения.
Популярная форма изложения позволит освоить особенности конструкции современного легкового автомобиля автолюбителям.
Автор выражает благодарность за высказанные замечания и пожелания, позволившие улучшить качество материала, излагаемого
в данном учебнике, рецензентам: кандидату технических наук,
профессору кафедры «Ремонт тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин» Белорусского аграрного технического университета В.П. Миклушу; кандидату технических наук, доценту,
заведующему кафедрой «Техническая эксплуатация автомобилей»
ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет» Н.А. Коваленко.
Отзывы и замечания по качеству оформления и глубине изложения материала просим направлять по адресу: 220027, г. Минск,
ул. Я. Коласа, 12, Белорусский национальный технический университет, кафедра «Техническая эксплуатация автомобилей».
ГЛАВА
1
ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЕМ
Современный автомобиль представляет собой транспортное
средство, способное к автоматической адаптации к окружающей
среде и условиям эксплуатации. Для достижения высоких показателей по различным критериям значительно усложнилась конструкция систем и механизмов автомобиля. В современном автомобиле
электронные блоки управления управляют работой двигателя, рулевого управления, тормозной системой, ходовой частью, агрегатами трансмиссии, системами комфорта и безопасности.
1.1. Общая компоновка электронной системы
управления
В конструкциях автомобилей все более широкое применение
находят электронные системы управления. По прогнозам специалистов в ближайшее десятилетие только 15...18 % изменений конструкции автомобилей будет отдано механике, основные изменения будут касаться электронных систем управления автомобилем.
Если упрощенно рассматривать электронную систему управления автомобилем, можно выделить четыре основных блока: входные сигналы — датчики, системы передач данных, электронный
блок (электронные блоки) управления (ЭБУ), исполнительные
механизмы (ИМ) (рис. 1.1).
Датчики
Системы
передачи
данных
ЭБУ
Системы
передачи
данных
ИМ
Рис. 1.1. Электронная система управления автомобилей
10
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
1.2. Электронный блок управления
Электронный блок управления (ЭБУ). Является самым сложным прибором систем управления двигателем или отдельных систем автомобиля, координирующим их работу. Основу блока составляет центральный процессор, или микрокомпьютер.
ЭБУ (рис. 1.2) размещается в металлическом корпусе и соединяется с датчиками, исполнительными устройствами и источником питания через многоштырьковый разъем 1.
2
1
3
4
6
7
5
6
Рис. 1.2. Электронный блок
управления:
1 — разъем; 2 — задающие каскады малой мощности; 3 — импульсный источник питания (SMPS);
4 — CAN-интерфейс (интерфейс
шины передачи данных); 5 — блок
памяти микропроцессора; 6 — задающие каскады большой мощности; 7 — входные и выходные контуры
Компоненты электронной системы для непосредственного
управления исполнительными устройствами располагаются в корпусе ЭБУ таким образом, чтобы обеспечить хорошее рассеяние
тепла в окружающую среду. Большинство компонентов ЭБУ выполняется по технологии SMD (Surface-Mounted Device — платы
с поверхностным монтажом). Обычная проводка используется
только в некоторых элементах питания и в разъемах.
ЭБУ получает электрические сигналы от датчиков или от генераторов в ожидаемом интервале значений, оценивает их и затем
вычисляет пусковые сигналы для исполнительных устройств (приводов).
Входные сигналы. Датчики входных сигналов представляют
интерфейс между автомобилем и ЭБУ, который является блоком
обработки данных. ЭБУ получает электрические сигналы от датчиков по проводке автомобиля и через разъемы. Эти сигналы могут быть аналоговыми, цифровыми и импульсными (рис. 1.3).
11
1.2. Электронный блок управления
ЭБУ
Электропитание
Формирование Микропроцессор
сигналов
Задающие
каскады
FEPROM
(ПЗУ)
Цифровые
входные сигналы
EEPROM
(ПП)
H
L
Исполнительные
устройства
RAM
(ОП)
Аналоговые
входные сигналы
АЦП
A/D
Диагностика
Импульсные
входные сигналы
CAN
Блок
текущего
контроля
Интерфейс
к другим системам
Рис. 1.3. Схема блока управления:
Н — высокий уровень; L — низкий уровень; FEPROM — программируемая
память (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ); EEPROM — постоянная
память (ПП); RAM — оперативная память (ОП); A/D — аналого-цифровой
преобразователь; CAN — шина передачи данных
Цифровые входные сигналы имеют только два состояния — «высокий уровень» и «низкий уровень». Примерами их являются сигналы включения/выключения или сигналы цифровых датчиков,
такие как импульсы от датчика Холла. Такие сигналы обрабатываются непосредственно микропроцессором.
Аналоговые входные сигналы в пределах заданного диапазона
принимают значения напряжения. Примерами физических величин, которые рассматриваются как аналоги измеренных значений
напряжения, являются массовый расход воздуха на впуске, напряжение аккумуляторной батареи, давление во впускном коллекторе
и давление наддува, температура охлаждающей жидкости и воздуха на впуске. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в микропроцессоре ЭБУ преобразует эти значения в цифровые сигналы, с которыми затем микропроцессор проводит расчеты.
Разновидностью аналоговых сигналов являются быстро изменяющиеся сигналы напряжения, называемые импульсными вход-
12
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
ными сигналами. Импульсные входные сигналы от индуктивных
датчиков, содержащие информацию о частоте вращения и положении вала (по метке), обрабатываются в их собственном контуре
в ЭБУ. Здесь ложные импульсы подавляются, импульсные сигналы преобразуются в цифровые прямоугольные сигналы.
Формирование сигналов. Для ограничения напряжения входных сигналов до максимально допустимого значения в ЭБУ используются защитные цепи. Путем применения устройств фильтрации
наложенные сигналы помех в большинстве случаев отделяются от
полезных сигналов, которые в случае необходимости затем усиливаются до допустимого уровня входного сигнала ЭБУ.
Формирование сигналов в датчиках может быть полным или
частичным в зависимости от уровня их интегрированности.
Обработка сигналов. ЭБУ является управляющим центром
системы, ответственным за последовательность функциональных
операций. Управляющие функции с учетом и без учета обратной
связи выполняются в микропроцессоре. Входные сигналы, формируемые датчиками, генераторами с ожидаемыми значениями параметров и интерфейсами других систем, служат входными координатами. Они подвергаются в компьютере дальнейшей проверке
на достоверность. Входные сигналы обрабатываются специальными
формирователями либо преобразуются в цифровую форму входными аналого-цифровыми преобразователями. После формирования управляющие сигналы с необходимыми параметрами (частота,
скважность, длительность и т.д.) поступают на выходные ключи
(драйверы), осуществляющие усиление по току и непосредственное управление различными исполнительными элементами (форсунки, реле, соленоиды, катушка (катушки) зажигания и т.д.).
Выходные сигналы рассчитываются с использованием программ,
характеристик и программируемых матриц. Микропроцессор синхронизируется кварцевым генератором. Выходные ключи выполнены на базе мощных транзисторов структуры п-р-п, в большинстве
случаев составных транзисторов Дарлингтона, и непосредственное управление различными исполнительными элементами (форсунки, реле, соленоиды и т.д.) включается в коллекторные цепи
выходных ключей; активация того или иного компонента осуществляется переводом выходного ключа в открытое состояние (такой
способ управления иногда называется коммутацией на «массу»).
1.2. Электронный блок управления
13
Программируемая (перезаписываемая) память. Для своей
работы микропроцессору требуется программа, которая хранится
в программируемой памяти (постоянное запоминающее устройство — ROM, или EEPROM/FEPROM).
Эта память предназначена только для считывания информации. Она содержит также специальные данные (индивидуальные
данные, характеристические и программируемые матрицы, значения поправочных коэффициентов и данные, необходимые процессору для расчетов длительности управляющих импульсов форсунок,
угла опережения зажигания и т.п.). Это фиксированные данные,
которые не могут быть изменены во время управления автомобилем. Перезаписывающая память является энергонезависимой, т.е.
вся занесенная в нее информация сохраняется при отключении
энергопитания сколь угодно долго.
Оперативная память (RAM) необходима для хранения таких изменяющихся данных, как численные значения сигналов.
Для правильной работы оперативная память требует постоянного
электрического питания. При выключении зажигания или выключателя пуска ЭБУ выключается и, следовательно, теряет всю память (так называемая «испаряющаяся» память). Адаптирующие
значения величин, т.е. те, которые «изучаются» системой во время
работы и которые касаются рабочих режимов двигателя, должны
быть восстановлены при включении ЭБУ в работу.
Данные, которые не могут быть потеряны (например, коды иммобилайзера и коды неисправности), хранятся в постоянной памяти (EEPROM). В этом случае они не теряются даже в случае отсоединения аккумуляторной батареи.
Блок текущего контроля. ЭБУ оснащается следящим контуром,
встроенным в специализированную интегральную схему (ASIC —
Application Specific Integrated Circuit). ASIC имеет повышенную
оперативную память (extraRAM) и усовершенствованные входные и выходные блоки, может генерировать и передавать сигналы
широтно-импульсной модуляции. Микропроцессор и блок текущего контроля следят друг за другом, и, как только обнаруживается неисправность, любой из них может выключить подачу топлива
независимо от другого.
Выходные сигналы. Используя свои выходные сигналы, микропроцессор запускает задающие каскады. Выходные сигналы
14
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
обычно являются достаточно мощными, чтобы непосредственно
управлять исполнительными устройствами или реле. Задающие
каскады защищены от короткого замыкания на «массу» или аккумуляторную батарею, а также от разрушения при электрической
перегрузке. Такие нарушения в работе, вместе с обрывами цепи
или неисправностями датчиков, определяются контроллером задающих каскадов, и эта информация передается в микропроцессор. Выходные сигналы могут быть переключающими и сигналами широтно-импульсной модуляции.
Переключающие сигналы используются для включения и выключения исполнительных устройств, например электровентилятора системы охлаждения двигателя.
Сигналы широтно-импульсной модуляции (PWM-signals) — прямоугольные сигналы с постоянным периодом, но переменные по
времени (рис. 1.4), которые могут быть использованы для пуска
электромагнитных приводов, например клапана системы рециркуляции отработавших газов.
Встроенная диагностика. Одной из важных функций блока
управления является непрерывная самодиагностика как входных
и выходных цепей компонентов, так и некоторых функций внутреннего состояния системы. В современных блоках управления
осуществление функций самодиагностики занимает до 50 % ресурсов микрокомпьютера. В случае нахождения неисправностей
в какой-либо цепи (например, отсутствие или несоответствие заданa
Сигнал напряжения
b
Рис. 1.4. Сигналы широтноимпульсной модуляции:
a
b
Время
а — постоянный период;
b — длительность сигнала
1.2. Электронный блок управления
15
ному уровню сигнала какого-либо датчика) микрокомпьютер записывает соответствующий данной неисправности цифровой код
в специальную область памяти. Для того чтобы получить информацию о характере неисправности, необходимо осуществить «считывание» кода из памяти компьютера. В более ранних системах
это можно сделать переводом компьютера в режим выдачи диагностических кодов посредством вспышек индикаторных ламп.
Ошибка помимо своего информационного значения несет флаг
статуса, т.е. ошибки могут быть статические (текущие) и случайные (спорадические, накопленные). Например, блок управления
Mercedes может распознавать:
актуальные неисправности, имеющиеся в настоящее время;
запомненные неисправности, бывшие раньше;
периодически появляющиеся и исчезающие неисправности,
возникшие во время поездки более 5 раз (например, плохой контакт).
Неисправности автоматически стираются из памяти блока
управления, если в течение последующих 19 поездок они не возникали вновь.
Для блока управления Mercedes поездка считается состоявшейся, если скорость была выше 4 км/ч, частота вращения коленчатого вала двигателя превысила 700 об/мин, после выключения
зажигания прошло более 30 с.
Каждый раз при включении зажигания ЭБУ начинает анализировать работу своих датчиков и исполнительных устройств до
тех пор, пока работает двигатель. В случае обнаружения дефекта
ЭБУ фиксирует неисправность, выставляет код ошибки и использует аварийную ветвь программы управления. Если какой-либо
входной сигнал отсутствует или заведомо неправильный, блок
управления рассчитывает и использует вместо него некоторое теоретическое значение, что позволяет ему продолжать дальнейшее
управление двигателем. Например, при выходе из строя датчика
давления во впускном коллекторе для определения времени впрыска используется значение, рассчитанное исходя из частоты вращения коленчатого вала и положения дроссельной заслонки.
После выключения зажигания блок управления сохраняет код
в ОЗУ.
Блок управления может также распознавать неисправности
в системе зажигания. Во время работы двигателя блоком измеря-
16
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
ется ток и напряжение на первичной обмотке катушек зажигания.
Таким образом, косвенно БУ может распознать сбои и во вторичной обмотке.
При определении более 50 сбоев регистрируется неисправность,
и для защиты катализатора от выхода из строя отключается соответствующая группа форсунок. Если последующие 255 зажиганий
прошли без сбоев, то управление форсунками возобновляется при
условии, что частота вращения коленчатого вала двигателя была
больше 2500 об/мин и двигатель находится в режиме принудительного холостого хода.
Назначение всех диагностических систем — унифицированное
определение неисправностей в различных узлах и агрегатах автомобиля для принятия решения о последующем ремонте. В мировой автомобильной промышленности дo 1994 г. применялись различные системы, стандарты и протоколы для диагностики OBD‑I
(On Board Diagnostic). Коды диагностики OBD-I были двузначными (их также называют короткими — в отличие от длинных
пятизначных кодов расширенной диагностики более поздних систем). Считывание кодов неисправностей систем OBD-I осуществлялось с помощью контрольной лампы, например Сheck Engine —
«Проверь двигатель». Процедура считывания кодов систем OBD-I
напоминала азбуку Морзе: короткие импульсы (длительностью
0,2...0,3 с) обозначали единицы, а длинные (1,2...2,0 с) — десятки
(рис. 1.5). После визуального считывания импульсов их значение
может быть расшифровано с помощью специальных таблиц.
Это наиболее простой вид бортового диагностирования, которое заключается в условном присвоении ряду неисправностей
электронной системы управления цифровых кодов. Данные коды
при проявлении соответствующих им неисправностей заносятся
в память электронного блока управления системой.
К 1995 г. начали появляться так называемые расширенные системы, которые долгое время сосуществовали с прежними, но уже
0,5 с
Вкл.
Выкл.
0,5 с
2,5 с
2,5 с
1
0,5 с
0,5 с 0,5 с
0,5 с
0,5 с
0,5 с
0,5 с
2,5 с
2,5 с 0,5 с 2,5 с
0,5 с
3
1
2
Рис. 1.5. Пример высвечивания кода неисправности
1.2. Электронный блок управления
17
с 1996 г. по требованию Агентства по защите окружающей среды
Соединенных Штатов (US Environmental Protection Agency, U.S.
EPA) и благодаря усилиям Ассоциации инженеров автомобилестроения (Society of Automotive Engineers, SAE) были повсеместно
внедрены единые стандарты самодиагностики, протоколов обмена
данными, унифицированы требования к диагностическим средствам и структуре кодов. Таким образом, начиная с этого времени
все легковые автомобили и грузовики малой грузоподъемности,
произведенные для продажи в Соединенных Штатах Америки,
оборудуются единой системой самодиагностики OBD-II, а с 2000 г.,
согласно директиве 98/69EG, все новые автомобили и в Европе
диагностируются только по этому стандарту. Данным документом
предусматриваются следующие требования:
стандартный диагностический разъем;
стандартное размещение диагностического разъема;
стандартный протокол обмена данными между сканером
и автомобильной бортовой системой диагностики;
стандартный список кодов неисправностей;
сохранение в памяти электронного блока управления кадра
значений параметров при появлении кода ошибки («замороженный» кадр);
мониторинг бортовыми диагностическими средствами элементов, отказ которых может привести к увеличению объемов токсичных выбросов в окружающую среду;
доступ как специализированных, так и универсальных сканеров к кодам ошибок, параметрам, «замороженным» кадрам, тестирующим процедурам и т.д.;
единый перечень терминов, сокращений, определений, используемых для элементов электронных систем автомобиля и кодов ошибок.
Обмен информацией в таких системах осуществляется так называемыми «быстрыми» кодами, которые обеспечивают выборку
из памяти электронного блока управления большого объема информации через последовательный интерфейс. Этот интерфейс
и диагностический разъем используются как при проверке и настройке автомобиля на заводе-изготовителе, так и при диагностировании.
18
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
Для предупреждения водителя о неисправности электронной
системы управления на панели (приборном щитке) загорается лампочка или надпись Check Engine («Проверьте двигатель»).
По требованиям нормативных документов по безопасности
движения некоторых стран автомобиль, имеющий активные коды
неисправности определенных электронных систем управления, не
допускается к эксплуатации.
При запуске двигателя и отсутствии в нем неисправностей
(лампа) надпись Check Engine должна погаснуть после запуска
двигателя, когда будут выполнены все инициализационные бортовые тестовые процедуры, относящиеся к отработавшим газам. Этот
индикатор называется Malfunction Indication Light (MIL, «Лампа
индикации неисправностей»). Он может выдавать и другие надписи в зависимости от марки автомобиля — Service Engine Soon
(«Отрегулируйте двигатель в ближайшее время») или просто Check
(«Выполните проверку»).
Этот индикатор информирует водителя о том, что в процессе
работы системы управления двигателем имеются неисправности
(ошибки). Причем ошибки могут быть как серьезные, так и не
очень. Если необходимо срочно устранить проблемы, то индикатор Check Engine мгновенно загорается и не гаснет. Такая неисправность относится к разряду активных (Active). Если же однократно возникшая неисправность не слишком серьезная и ее
устранение может быть отложено, то индикатор не загорается, но
неисправность записывается и ей присваивается сохраняемый статус (Stored). Если такая же неисправность возникнет повторно
(или несколько раз, в зависимости от серьезности), то она может
быть переведена в статус активных, и тогда индикатор Check
Engine активизируется вновь. Обычно для перехода сохраняемой
ошибки в активный статус требуется ее появление в нескольких
драйв-циклах (драйв-циклом считается процесс, при котором холодный двигатель запускается и работает до достижения нормальной рабочей температуры). Иногда индикатор Check Engine горит
до тех пор, пока двигатель не будет заглушен, а при повторном запуске гаснет и не появляется до возникновения следующей ошибки. При случайных неисправностях индикатор загорается только
тогда, когда неисправности повторяются в течение следующих
1.2. Электронный блок управления
19
двух-трех драйв-циклов, но если они в этот период не появляются,
то индикатор гаснет.
Считывание информации со сложного программного обеспечения осуществляется через диагностический разъем с помощью специального устройства — сканера, фактически заменяющего центральный блок управления. Контролируемые параметры и коды
неисправностей считываются непосредственно с электронного
блока управления, при этом коды не только считываются, но и расшифровываются.
Диагностический разъем раз1 2 3 4 5 6 7 8
мещается в пассажирском салоне
(обычно под приборной панелью)
9 10 11 12 13 14 15 16
и обеспечивает доступ к системным
данным. К такому разъему может
быть подключен любой сканер. По- Рис. 1.6. Стандартный диагностепенно на данную систему перехостический разъем
дят и автомобильные производители
других регионов мира. Ее признаком является обязательное наличие в салоне автомобиля характерного 16-контактного диагностического разъема (рис. 1.6).
Несмотря на всеобщую стандартизацию, в современных системах продолжают использовать различные протоколы для связи
с модулем управления. OBD-II — совместимый автомобиль может
использовать любой из следующих протоколов: J 1850 VPW,
J 1850 PWM, ISO 9141-2, ISO 14230-4 и Keyword Protocol (KWP)
2000. Во всех протоколах применяется импульсно-кодовая модуляция переменной или постоянной длины на основе CAN-bus.
В настоящее время Chrysler, все европейские и большинство
азиатских импортеров используют ISO 9141. GM и легкие грузовики применяют коммуникационные приложения SAE J1850 VPW
(Variable Pulse Width Modulation) и Ford SAE J1850 PWM (Pulse
Width Modulation). По коммутации разъема можно определить,
какой протокол используется в автомобиле. Если разъем имеет
контакт 7 и отсутствуют контакты 2 и 10, тогда автомобиль оборудован по протоколу ISO 9141.
Если нет контакта 7, тогда применяется протокол SAE. Если
используются контакты 7 и 2 и/или 10, автомобиль может использовать протокол ISO. Все три OBD-II протокола имеют набор команд
20
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
согласно SAE J1979 стандарту. Все OBD-II имеют разъемы, расположенные в местах, досягаемых с места водителя.
Для считывания данных в системе OBD-I применялись только
специальные дилерские сканеры (или неудобная процедура активизации модуля, уникальная для каждой марки), а в OBD-II универсальные сканеры. Если в системах семейства OBD-I было пре
дусмотрено определение неисправностей ограниченного спектра
(двигателя, подушек безопасности, тормозной системы ABS и автоматической коробки передач), то в OBD-II перечень диагностируемых узлов расширен (быстрые коды). Кроме того, значительно
увеличилось количество диагностических кодов (их теперь более
3000).
В 2000 г. был введен новый стандарт — EOBD (EURO OBD),
основным отличием которого является закрепление протокола
управления автомобильными подсистемами CAN, разработанного
фирмой Bosch и реализованного в ряде моделей европейских
и азиатских производителей. При этом диагностический разъем
OBD-II не изменился, поскольку в нем уже были зарезервированы
контакты для реализации связи по интерфейсу CAN. Стандарт
EOBD иногда называют европейским, а OBD-II — американским.
Для питания микропроцессора, блоков памяти, входных формирователей и АЦП используется внутренний стабилизатор с выходным напряжением +5 В. Это же напряжение используется для
питания различных активных датчиков (абсолютного давления,
расхода воздуха или давления за дроссельной заслонкой, положения дроссельной заслонки и т.п.) и подачи напряжения смещения
на пассивные датчики (температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха). В некоторых случаях блок управления может
иметь два стабилизатора — +5 В и +9 (+8) В.
К ЭБУ предъявляются высокие требования по отношению
к следующим факторам:
температура окружающей среды для легковых автомобилей
должна быть в пределах (-40...+70 °С);
воздействие со стороны таких материалов, как масло, топливо и т.п.;
влияние влажности окружающей среды;
механическая прочность, например при наличии вибраций
в процессе работы двигателя;
защита от электромагнитных колебаний.
1.3. Системы передачи данных
21
1.3. Системы передачи данных
Современное автомобилестроение быстрыми темпами внедряет
инновационные технологии в системах управления. Общая тенденция в области автоматизации автомобилей состоит в замене традиционной централизованной системы управления на распределенную
систему управления путем соединения блоков управления интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. Это вызвано
ростом числа проводов связи, увеличением количества соединений,
сложностью диагностирования автомобилей и снижением надежности.
Передача данных другим системам. Обзор систем. Возрастающее применение электронных систем управления автомобилей
с обратной связью и без обратной связи требует, чтобы индивидуальные электронные блоки управления работали в сети друг с другом. Такие системы управления включают в себя:
управление коробкой передач;
электронное управление двигателем, или регулирование подачи топлива;
антиблокировочную систему тормозов (ABS);
противобуксовочную электронную систему (TCS);
электронную систему стабилизации (курсовой устойчивости) (ESP);
систему управления тормозным моментом (MSR);
электронный иммобилайзер (EWS);
бортовой компьютер и т.д.
Обмен информацией между системами уменьшает общее количество необходимых датчиков и улучшает управление отдельными
системами. Интерфейсы систем передачи информации, проектируемые для применения в автомобилях, могут быть подразделены
на следующие категории:
обычные интерфейсы;
последовательные интерфейсы, т.е. сеть контроллеров (CAN);
широкополосные шины передачи данных с временным разделением каналов (шина FlexRay);
оптическая передача данных (шина типа МОSТ).
Обычная передача данных (интерфейсы). Обычная передача
данных в автомобиле характеризуется тем, что каждый сигнал
22
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
Блок
управления
коробкой
передач
Блок
управления
двигателем
Блок
управления
системами
ABS/TCS/ESP
Блок
управления
иммобилайзером
Рис. 1.7. Схема обычной передачи данных
имеет собственный канал связи (провод) (рис. 1.7). Тем самым с каждой дополнительной информацией возрастает также число проводов и количество контактов на блоке управления, поэтому подобный тип передачи информации оправдывает себя только в случае
ограниченного объема передаваемых данных.
Обмен данными между электрическими компонентами автомобиля уже достиг таких объемов, что дальнейшее использование
обычных интерфейсов уже не удовлетворяет современные системы управления, поэтому стали применяться шины передачи данных.
Последовательная передача данных (CAN). В связи с возросшими требованиями передачи информации в современных автомобильных системах управления вместо обычной электропроводки
все более широкое распространение находят электронные цифровые шины данных CAN (Controller Area Network). Цифровая передача данных значительно надежнее обычной аналоговой — шина
лучше защищена от помех, контакты надежнее изолированы от
внешних воздействий.
CAN-шина облегчает диагностику и ремонт вышедших из строя
компонентов. Универсальная проводка подходит для разных комплектаций одного автомобиля — дополнительные устройства просто подключаются к нужным разъемам.
В зависимости от приоритетов и требований к скорости передачи данных шина связи может быть одно- или двухпроводной.
1.3. Системы передачи данных
23
Если для работы систем достаточно низкой скорости передачи данных, то используются шины с одним проводом связи. Если скорость должна быть высокой, применяют шины с двумя проводами
связи.
Второй провод используется для проверки правильности переданной модулем управления информации и для самоконтроля модуля. Данные передаются по обоим проводам одновременно. Сигнал
на первом проводе представляет собой перевернутое повторение
сигнала, передаваемого по второму проводу.
Все связанные через шину CAN блоки управления подключаются к ней параллельно. Один из проводов шины CAN называется
верхним (CAN High), а другой — нижним (CAN Low). Два невзаимозаменяемых скрученных между собой провода образуют
пару (Twisted Pair) (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Шина
CAN
Скручивание проводов производится для ослабления помех
электромагнитного характера, а также излучающих помех. Источниками помех на автомобиле являются узлы или системы, работа
которых сопровождается искрообразованием или размыканиемзамыканием электрических цепей. Другими источниками являются
устройства, излучающие электромагнитные волны, например мобильные телефоны или радиопередатчики. Источники помех такого
типа могут нарушить или исказить передачу данных по шине CAN.
Скручивание позволяет также устранить излучение шины, способное создать помехи работе других устройств.
По проводу CAN High информация передается в виде электрических сигналов напряжением от 2,5 до 3,5 В, а по проводу CAN
Low — напряжением от 1,5 до 2,5 В (рис. 1.9). Разность напряжений, равная нулю, дает уровень логического нуля, а разность напряжений в 2 В — уровень логической единицы.
CAN-мультимастерная шина — это шина без центрального управляющего устройства. Все подключаемые к центральному или центральным блокам электронные блоки разных систем (или контрол-
24
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
а
3,5 B
U, В
CAN High
2,5
CAN Low
1,5 B
0
t
б
(САN High – СAN Low)
2B
B
0
1 A
C
t
Рис. 1.9. Передача информации по шине CAN:
а — напряжение; б — разность напряжений; А, С — логический уровень = 0;
B — логический уровень = 1
леры) равноправны — любой имеет доступ к передаваемым данным
и может сам передавать.
CAN-шина относится к типу последовательных шин. Передача
данных в шине CAN выполняется по протоколу в виде обмена сообщениями между блоками управления через очень короткие промежутки времени.
Протокол состоит из последовательности бит информации,
передающихся друг за другом. Число бит в протоколе передачи
данных зависит от размера поля данных. Бит — минимальная единица передачи информации. В электронике биту может быть присвоено одно из двух возможных значений: «0» или «1» («да» или
«нет»).
Данные передаются бит за битом, как бусины по нитке, и принимаются таким же образом. Биты составляют отдельные поля
(рис. 1.10), из них складываются так называемые кадры — основные информационные единицы.
Начало фрейма обозначает начало протокола передачи данных.
Арбитражное поле используется для обозначения приоритета
протокола передачи данных. Например, если двум блокам управления требуется отправить сообщения одновременно, первым отправ-
25
1.3. Системы передачи данных
1
2
3
4
5
6
7
8
Рис. 1.10. Кадр передачи данных:
1 — начало кадра (1 бит); 2 — арбитражное поле (11 бит); 3 — не используемое поле (1 бит); 4 — поле управления (6 бит); 5 — поле данных (64 бита);
6 — поле CRC (16 бит); 7 — поле ACK (2 бита); 8 — конец кадра (7 бит)
ляет сообщение тот блок управления, который имеет более высокий приоритет. Кроме того, поле используется для определения
содержания сообщения (например, частота вращения коленчатого
вала двигателя).
В поле управления (контрольном поле) в виде кода записывается количество элементов информации в поле данных. Это обеспечивает возможность каждому приемнику проверить получение всех
необходимых данных.
В поле данных передаются элементы данных, являющиеся важными для других блоков управления. В данном поле содержится
больше всего информации: от 0 до 64 бит (от 0 до 8 байт).
Поле CRC используется для обнаружения ошибок в процессе
передачи данных.
Поле ACK содержит сигнал приемника передатчику о том, что
протокол данных был успешно выполнен. В случае обнаружения
ошибки информация об этом немедленно передается передатчику,
после чего отправка сообщения повторяется.
Конец кадра предназначен для проверки передатчиком протокола данных и отправки приемнику подтверждения о его безошибочном выполнении. В случае обнаружения ошибки передача
данных немедленно прекращается, а затем выполняется повторно.
После этого протокол передачи данных считается выполненным.
Один кадр может включать несколько параметров. Например,
кадр, выдаваемый ЭБУ системы впрыска топлива, может состоять
из следующих параметров:
частота вращения коленчатого вала двигателя;
средний эффективный крутящий момент двигателя;
заданная водителем скорость движения;
26
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
состояние
системы круиз-контроля (включена или не вклю-
чена);
разрешение
на включение компрессора кондиционера;
крутящего момента двигателя без учета воздействия автоматической коробки передач.
Одни кадры выдаются периодически (например, кадр системы
впрыска топлива — через каждые 10 с), другие — при наступлении
какого-либо события. Например, кадр, генерируемый ЭБУ подушек безопасности, выдается в случае удара, при этом выключается
топливный насос, происходит разблокировка замков дверей и запрещается блокировка рулевой колонки.
Информация обмена состоит из отдельных посланий, которые
могут быть отправлены и получены каждым из блоков управления.
Каждое из посланий (рис. 1.11), составленное согласно протоколу,
содержит данные о каком-либо физическом параметре, например
о частоте вращения коленчатого вала.
величина
1
2
3 4
Рис. 1.11. Структура послания, передаваемого через шину CAN:
1 — идентификационный код послания (11 бит); 2 — содержание послания
(до 8 × 8 бит); 3 — контрольная сумма (16 бит); 4 — подтверждение приема
послания (2 бита)
Примером идентификационного кода послания может быть
двигатель (частота вращения коленчатого вала). В этом же послании могут иметься другие данные, например указания о холостом
ходе, передаче крутящего момента и о других режимах работы
двигателя. При этом величина частоты вращения представляется
в двоичной форме, т.е. как последовательность нулей и единиц
или бит (рис. 1.12). Например, значение частоты вращения двигателя 1800 об/мин может быть представлено как двоичное число
00010101.
При передаче сигналов каждое число в двоичном представлении преобразуется в поток последовательных импульсов (бит).
Эти импульсы поступают через провод TX (передающий) на вход
27
1.3. Системы передачи данных
Уровень сигнала
1
5В
0В
0
0
0
1
0
1
0
t (время)
Рис. 1.12. Передача электрических
сигналов .
по времени
трансивера (усилителя). Он преобразует последовательность поступающих с модуля системы CAN двоичных сигналов (на логическом уровне) в электрические импульсы напряжения, и наоборот, которые затем последовательно передаются на провод шины.
Процесс начинается с измерения частоты вращения посредством датчика 4, соединенного с блоком управления двигателем
(рис. 1.13). Измеряемое значение периодически вводится во вход-
4
Блок
управления
двигателем
n
8
Блок
управления
АБС
9
Блок
управления
в комбинации
приборов
n
10
n
7
6
3
5
2
RX
TX
RX
TX
RX
TX
1
11
Рис. 1.13. Схема процесса запуска передачи данных (на примере частоты
вращения коленчатого вала двигателя):
1 — трансивер; 2 — зона приема данных; 3 — входной почтовый ящик; 4 —
датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя; 5 — зона передачи данных; 6 — выходной почтовый ящик; 7 — символ сигнала поступления актуальных данных в почтовый ящик; 8 — входное запоминающее устройство;
9 — выходное запоминающее устройство; 10 — тахометр; 11 — шина CAN;
TX — передающий провод; RX — принимающий провод
28
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
ное запоминающее устройство 8 микроконтроллера и по шине CAN
передается на другие блоки управления, например на блок управления в комбинации приборов. В связи с этим информация о частоте вращения копируется в выходном запоминающем устройстве 9 блока управления двигателем. Из выходного запоминающего
устройства информация поступает в выходной почтовый ящик 6
модуля системы CAN. При поступлении актуальных данных в почтовый ящик вырабатывается специальный сигнал, символом которого является поднятый флаг 7.
Выполнение процесса запуска завершается выдачей задания на
передачу данных модулю системы CAN блоку управления двигателем.
Прием послания производится в два этапа (рис. 1.14):
1) проверка послания на содержание ошибок (уровень контроля);
2) проверка пригодности послания (уровень признания).
Все подключенные к шине блоки получают послание, отправленное блоком управления двигателем, но воспринимает его блок
управления комбинации приборов.
Блок
управления
двигателем
Блок
управления
АБС
Блок
управления
в комбинации
приборов
n
T
n
RX
TX
RX
TX
RX
TX
Рис. 1.14. Схема процесса приема данных (на примере частоты
вращения коленчатого вала двигателя)
29
1.3. Системы передачи данных
В табл. 1.1 показана упрощенная передача данных на примере
угла положения дроссельной заслонки, указывающего, как строится
информация. Положение дроссельной заслонки передается 8 битами, таким образом возможно 256 вариантов комбинаций битов.
С шагом 0, 4° передается положение заслонки от 0° до 102°.
Таблица 1.1
Изменение данных в шине в зависимости
от положения дроссельной заслонки
Биты
Положение дроссельной заслонки
0000 0000
Угол дроссельной заслонки 000, 0°
0000 0001
Угол дроссельной заслонки 000, 4°
0000 0010
Угол дроссельной заслонки 000, 8°
......
0101 0101
Угол дроссельной заслонки 034, 0°
.......
1111 1111
Угол дроссельной заслонки 102,0°
Трансивер представляет собой приемопередающее устройство,
одновременно выполняющее функции усилителя. Он преобразует
последовательность поступающих с модуля системы CAN двоичных сигналов (на логическом уровне) в электрические импульсы
напряжения, и наоборот. Связь трансивера с модулем системы CAN
осуществляется посредством проводов TX (передающий) и RX
(принимающий).
Провод RX соединен с шиной CAN через усилитель. Он позволяет постоянно «прослушивать» сигналы, передаваемые через
шину. Особенностью подключения провода TX к шине является
соединение через каскад с открытым коллектором. Благодаря этому могут быть реализованы два состояния шины (рис. 1.15):
состояние 1: пассивное, уровень шины равен 1, провод шины
соединен с источником тока через высокоомное сопротивление, при
этом транзистор закрыт (выключатель разомкнут);
состояние 0: активное, уровень шины равен 0, шина замкнута
на «массу» через низкоомное сопротивление, при этом транзистор
открыт (выключатель замкнут).
При приеме сигналов трансивер преобразует импульсы напряжения в последовательности бит и передает их через провод RX
30
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
5 В
5 В
5 В
Провод шины (0 В)
Трансивер А
Трансивер В
Трансивер С
Рис. 1.15. Принципиальная схема подключения трех трансиверов
к проводу шины (трансивер C находится в активном состоянии)
(приемный провод) на блок управления. В блоке управления последовательности двоичных сигналов вновь преобразуются в данные посланий. Например, двоичное число 00010101 преобразуется
в частоту вращения 1800 об/мин. Передаваемое послание может
быть принято каждым из блоков управления.
Этот принцип передачи данных называют широковещательным,
так как он подобен принципу работы широковещательной радиостанции, сигналы которой принимаются каждым пользователем
радиосети. Контроллеры отслеживают информацию по принципу
«слушаю всех», т.е. каждый читает все проходящие по шине кадры,
но принимает лишь адресованные ему данные (см. рис. 1.14). В данной ситуации например, блок управления ABS пропустит ненужные сигналы от датчика частоты вращения коленчатого вала, а считает только необходимые сведения о частоте вращения колес
автомобиля и т.д.
Другой принцип общения на шине заимствован из компьютерных сетей и называется «один говорит — остальные слушают». Единовременно передавать данные может только один контроллер.
Каждый из активных блоков управления начинает процесс передачи данных с ввода идентификатора. Все блоки управления следят за состоянием шины, считывая с нее данные через провод RX.
Каждый из блоков управления сравнивает бит за битом сигналы,
передаваемые через провод TX, с сигналами, передаваемыми через
провод RX.
В соответствии с принятой для шины CAN стратегией ситуация регулируется следующим образом: блок управления, сигнал
31
1.3. Системы передачи данных
1 2 3 4 5 6 7
Блок
управления
двигателем
Блок
управления
ABS
Комбинация
приборов
TX
RX
TX
RX
TX
RX
Доступ к шине
сохраняется, действует
режим передатчика
Доступ к шине
прекращается, действует
режим приемника
Доступ к шине
прекращается, действует
режим приемника
Провод
шины CAN
Рис. 1.16. Процесс арбитражного разбора, исключающий накладку
посланий
которого на проводе TX обнуляется, должен прервать передачу
данных через шину (рис. 1.16).
Число нулей в головной части идентификатора определяет ранг
приоритета послания. Передача посланий производится в порядке, соответствующем их рангу. При этом действует правило: чем
меньше число, обозначающее идентификатор, тем важнее послание.
Этот способ оценки называют арбитражем (от слова арбитр, или
спортивный судья).
Приоритет передачи информации определяется по важности
выполняемых функций. Соблюдение безопасности является главным пунктом для определения очередности. Расположение блоков
управления по важности показано в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Расположение электронных блоков управления в порядке приоритета
Приоритет
Первый
Протокол данных
Блок управления
ABS/EDS
Информация
Контроль рулевого управления.
Контроль тормозных сил на колесах.
Контроль крутящего момента колес.
Контроль параметров окружающей дорожной обстановки
32
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
Окончание табл. 1.2
Приоритет
Протокол данных
Второй
Блок управления
двигателем
Третий
Блок управления
автоматической
коробки передач
Четвертый Блок управления
комфортом
Информация
Крутящий момент.
Положение дроссельной заслонки.
Температура охлаждающей жидкости.
Скорость автомобиля
Переключение передачи.
Коробка передач в аварийном режиме.
Положение рычага переключения
Температура внутри салона.
Температура окружающей среды.
Управление стеклоподъемниками
В качестве примера можно привести наивысший приоритет
датчика поворота рулевого колеса, у которого послание с наибольшим числом нулей вначале, благодаря которому вырабатываемые
им данные отправляются в первую очередь (табл. 1.3).
Таблица 1.3
Сравнительные приоритеты датчиков
Идентификатор
Двигатель
Тормозная система
Комбинация приборов
Датчик угла поворота рулевого колеса
Коробка передач
Двоичный
010_1000_0000
010_1010_0000
011_0010_0000
000_1100_0000
010_0100_0000
Теоретически шину можно сделать любой длины и разместить
на ней сколько угодно контроллеров. Однако на практике ограничивают и то и другое. Это связано с тем, что скорость распространения сигналов не бесконечна, а все электронные блоки должны
получать информацию одновременно.
Поэтому быстродействующие шины делают короткими — длиной не более 10 м, чтобы получить предельную скорость 2 Мбит/с.
При скорости 1 Мбит/с максимальная протяженность длины
кабеля шины около 40 м. Арбитражная схема требует, чтобы фронтальная волна сигнала могла достичь удаленных устройств и вернуться обратно, прежде чем будут переданы данные.
33
1.3. Системы передачи данных
На одной шине устанавливают обычно не более 64 контроллеров. Для увеличения передачи объема информации прокладывают
несколько независимых цепей, так как не все системы требуют
максимального быстродействия CAN.
В современных автомобилях, как правило, применяются три
вида шин, работающие с разными скоростями (рис. 1.17). Наиболее
важные устройства и системы (ABS, ESP, ЭБУ двигателем и др.)
Блок
управления
двигателем
Диагно
стический
разъем
Блок управ
ления короб
кой передач
Комбинация
приборов
Блок упра
вления
подушками
безопасности
Радионави
гационная
система
Радиоаппа
ратура
Блок упра
вления
микрокли
матом
Блок упра
вления
системой
«Комфорт»
...
Блок упра
вления
тормозной
системой
Датчик пово
рота рулево
го колеса
1
Усилитель
руля
Блок
телефонной
связи
...
Цифровая
система
звуковоспро
изведения
Устройство
облегчения
парковки
Блок упра
вления
приборами
в двери
водителя
Селектор
коробки
передач
Блок контро
ля давления
в шинах
Блок упра
вления
приборами
в двери
переднего
пассажира
2
ЗУ положе
ния сиденья
водителя
Блок упра
вления
приборами
в задней
левой
двери
Блок упра
вления
приборами
в задней
правой
двери
...
3
Рис. 1.17. Система шин CAN (на примере автомобиля Polo,
модель 2002 года):
1 — шина наиболее важных устройств; 2 — шина информационной системы;
3 — шина системы комфорта
34
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
подключаются к скоростной магистрали с пропускной способностью 500...1000 Кбит/с, практически обеспечивающей работу системы в реальном времени.
Менее быстрые и важные приборы системы «Комфорт» или
информационно-командной системы (радио, монитор на центральной консоли, система навигации и кондиционирования) завязаны
на другую шину со скоростью 95,2...100 Кбит/с.
Для остальных «медленных» устройств системы «Комфорт»
(дверных замков, систем освещения, стеклоподъемников) служит
третья шина со скоростью 33,3...100 Кбит/с.
Вместо ключа зажигания в автомобилях, оборудованных CANшинами, все чаще используют электронный брелок, который взаимодействует с блоком управления двигателем через цифровую
шину.
Шина FlexRay. Возросшие требования к скорости передачи
и безопасности данных требуют применения широкополосных шин
передачи данных с временным разделением каналов (временным
управлением). Для сравнения: шина CAN представляет собой со
бытийно-управляемую шину данных.
FlexRay — это последовательная, детерминистическая и устойчивая к сбоям шина передачи данных для применения в автомобиле.
Скорость передачи данных по шине FlexRay составляет 10 Мбит/с,
что в двадцать раз превышает скорость передачи по высокоскоростной шине CAN (500 Кбит/с).
Другой важной особенностью является гарантированное время
реакции, или латентный период реагирования, который представляет собой время, необходимое для прохождения сообщения от
отправителя до получателя. В связи с этим говорят также о детерминистической (предопределенной, регламентированной) передаче. Это означает, что данные поступают к адресату или адресатам
в строго определенный или предварительно заданный момент времени (возможность применения в режиме реального времени).
Для активации шины FlexRay требуется не менее двух блоков
управления в отличие от шины CAN. Эти блоки управления именуются блоками управления холодного запуска (KS). Их число
для каждой сети FlexRay ограничено максимум тремя блоками.
Для обеспечения обмена данными с временным разделением
каналов в пределах этой сети передачи данных с помощью синхро-
35
1.3. Системы передачи данных
низации нескольких блоков управления задается единая точка от
счета времени. Благодаря синхронизации внутренних часов блоков
управления в системе FlexRay выход из строя отдельных блоков
управления не оказывает влияния на коммуникационные характе
ристики остальных блоков управления.
Обычно синхронизацию шины FlexRay обеспечивают четыре
блока управления, называемые синхронизирующими блоками
управления. Если в системе шины FlexRay имеется более четырех
блоков управления, то остальные блоки синхронизируются по точке
отсчета времени, заданной синхронизирующими блоками. Посколь
ку эти дополнительные блоки управления интегрируются в рабо
тающую синхронизированную систему, то их называют интеграционными блоками управления.
Шина FlexRay имеет следующие особенности:
электрическая двухпроводная шина данных;
скорость передачи данных максимум 10 Мбит/с;
комбинированная топология шины;
возможность применения в режиме реального времени;
обеспечивает распределенное управление и применение в си
стемах, связанных с обеспечением безопасности;
синхронная передача данных.
Шина FlexRay двухпроводная. Плюсовой провод (BP) обозна
чают красным цветом, минусовой (ВМ) — синим. Уровень напряже
ния на обоих проводах колеблется в диапазоне 2,2...2,8 В (рис. 1.18)
(в высокоскоростной шине CAN 1,5...3,0 В). Уровень разностного
напряжения составляет не менее 600 мВ (в высокоскоростной шине
CAN 2 В).
В
Холостой Доминирующий
2,8
2,5
2,2
1
116
100 нс
Доминирующий
Состояние
покоя шины
0
100 нс
Рис. 1.18. Передача информации по шине FlexRay
[нс]
36
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
FlexRay работает с тремя состояниями сигнала:
холостой — уровень напряжения обоих проводов шины рецессивный и составляет 2,5 В (режим холостого хода). Рецессивный
означает, что уровень напряжения может быть превышен (перезаписан) другим блоком управления;
0 — провод BP имеет низкий, а провод BM — высокий доминирующий уровень напряжения. Доминирующий означает, что
этот уровень напряжения не может быть превышен (перезаписан)
другими блоками управления;
1 — провод BP имеет высокий, а провод BM — низкий доминирующий уровень напряжения.
При таких параметрах уровня напряжения время передачи бита
в шине FlexRay составляет 100 наносекунд (нс) (для сравнения:
в высокоскоростной шине 2000 нс).
Шина MOST. Центральный блок информационно-командной
системы может соединяться с процессором навигационной и других систем посредством оптического кабеля (шина типа МОSТ
«Media Oriented Systems Transport»). Это необходимо для защиты
от помех линии передачи данных. Для передачи данных через
оптический кабель следует преобразовать аналоговую информаа
б
1
1
2
3
3
5
4
5
Рис. 1.19. Передача тока:
а — через волоконно-оптический проводник; б — через металлический проводник; 1 — цифровая информация; 2 — импульсы света в оптическом кабеле;
3 — аналоговая или цифровая информация; 4 — электроны в металлическом
проводнике; 5 — электромагнитное поле проводника
1.3. Системы передачи данных
37
цию в серии световых импульсов, кото1
рые могут затем распространяться через
2
стеклянные волокна кабеля. У световых
волн длина волны короче по сравнению
с радиоволнами, они не создают электромагнитных помех и сами являются невосприимчивыми к таковым.
3
У металлических проводников создаются поля вокруг любого проводника,
4
2
по которому проходит электрический ток
(рис. 1.19). Поэтому проложенные параллельно или перекрещивающиеся провод
ники тока создают взаимные помехи.
Помехи могут быть вызваны также электромагнитными волнами, генерируемы3
ми, например, мобильным телефоном.
При использовании волоконно-оптиче
Рис. 1.20. Основные
компоненты волоконноской связи такие помехи отсутствуют.
оптической системы:
Преимуществом современных воло
конно-оптических систем, кроме отсутст 1 — световод; 2 — фотодиод; 3 — светодиод; 4 —
вия помех, является также скорость перетрансивер
дачи данных, достигающая 21,2 Мбит/с,
что позволяет передавать информацию
в виде цифрового сигнала. Такая связь находит применение при
приеме аудио- и видеопередач, когда необходима скорость передачи
данных порядка 6 Мбит/с и больше, в то время как шина CAN
может передавать данные со скоростью до 1 Мбит/с при большом
количестве жил в жгуте проводов.
Основными компонентами волоконно-оптических систем
(рис. 1.20) являются светодиоды и фотодиоды, составляющие приемопередатчик; трансивер; световод; микропроцессор.
Светодиод предназначен для преобразования сигнала по напряжению в световой сигнал. Длина волны выработанных световых волн составляет от 650 нм и их видно как красный свет.
Фотодиод используется для преобразования световых волн
в сигналы по напряжению.
Световод применяется для отправки световых волн, вырабатываемых в передатчике одного блока управления, на приемник дру-
38
Глава 1. Электронные системы управления автомобилем
2
1
гого блока управления. Он состоит из
нескольких слоев: ядра, прозрачного слоя,
черной и цветной оболочки (рис. 1.21).
Ядром 3 является центральная часть
световода, состоящая из полиметил-ме
такрилата. По нему свет проходит по
принципу полного отражения почти без
потерь. Для полного отражения вокруг
ядра установлен прозрачный с оптической точки зрения слой 4 из фторпо3
4
лимера. Черная оболочка 2, состоящая
Рис. 1.21. Световод
из полиамида, предохраняет ядро от
внешнего светоизлучения. Цветная оболочка 1 предназначена для маркировки и защиты от механических
повреждений, а также от воздействия температуры.
Недостатком волоконно-оптической системы является требование плавных изгибов, радиус изгиба световода не должен превышать 25 мм.
Шина MOST представляет шину последовательной передачи
данных (аудио- и видеосигналы, голосовые сигналы, данные) по
оптическому кабелю (рис. 1.22). С точки зрения физического ис4
5
3
2
6
1
7
Рис. 1.22. Шина MOST (на примере Touareg 2011 Volkswagen):
1 — ЭБУ в комбинации приборов; 2 — диагностический интерфейс шин данных; 3 — ЭБУ информационной электронной системы; 4 — ТВ-тюнер; 5 —
DVD чейнджер; 6 — головное устройство аудиосистемы; 7 — ЭБУ цифровой
аудиосистемы
1.3. Системы передачи данных
39
полнения в случае шины MOST речь идет о кольцевой структуре
(топологии) сети. Шина MOST может включать до 64 устройств.
Шина MOST имеет следующие особенности:
оптическая шина передачи данных;
скорость передачи данных 21,2 Мбит/с;
кольцевая топология шины;
адресно-ориентированная передача сообщений определенным адресатам;
циклическая и управляемая событиями передача данных;
высокая помехозащищенность.
С помощью оптической шины MOST обмен данными между
абонентами шины происходит в цифровом формате. Передача данных с помощью световых волн позволяет достичь существенно
больших скоростей передачи данных.
ГЛАВА
2
МЕХАНИЗМЫ ДВИГАТЕЛЯ
Совершенствование конструкции современных двигателей идет
по следующим основным направлениям:
повышение надежности и снижение массы при увеличении
мощности;
снижение выбросов токсичных веществ и шума с одновременным уменьшением расхода топлива.
Снижение массы и повышение надежности двигателя происходит благодаря применению легких сплавов металлов, уменьшению
размеров отдельных деталей двигателя, использованию новых
способов соединения деталей двигателя между собой.
К основным мероприятиям по повышению мощности и снижению токсичности при сохранении или улучшении экономических
характеристик можно отнести:
изменение степени сжатия, фаз газораспределения и высоты подъема клапана;
применение турбонаддува и охлаждения воздуха, поступающего в цилиндры двигателя;
новые подходы к смесеобразованию и воспламенению топливовоздушных смесей;
совершенствование систем охлаждения, смазки и питания
двигателя.
2.1. Цилиндропоршневая группа
и кривошипно-шатунный механизм
Блок цилиндров. Изготавливается с помощью литья с последующей механической обработкой. Нижняя часть блока цилинд
ров обычно обрабатывается для установки в блок коренных под-
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
41
Рис. 2.1. Блок цилиндров двигателя Nordstar GM
с «сухой» гильзой
шипников коленчатого вала и для присоединения поддона картера.
Большое значение имеет расстояние между соседними цилиндрами. Увеличение расстояния дает возможность повысить жесткость
блока и обеспечить возможность повышения в дальнейшем рабочего объема двигателя путем увеличения диаметра цилиндров
(наиболее простой способ модификации двигателей различной
мощности). Однако это приводит к увеличению габаритных размеров двигателя и его массы. В последнее время некоторые производители автомобильных двигателей изготавливают блоки цилиндров, в которых соседние цилиндры соприкасаются стенками (так
называемые сиамские блоки с «сухими» гильзами) (рис. 2.1). Такой
способ дает возможность получить довольно жесткую конструкцию при сравнительно небольшом размере. Жесткость блока цилиндров в значительной степени определяет шумовые характеристики двигателя.
Характерной особенностью современных высоконагруженных
двигателей является применение опорной рамы, крепящей коленчатый вал (рис. 2.2). К опорной раме крепится высокий алюминиевый масляный поддон, который максимально изолирован от
вибраций кривошипно-шатунного механизма, что положительно
сказывается на акустике двигателя. Дополнительную функцию
выполняет контур опорной рамы коленчатого вала, играя роль маслоотражателя в области противовесов коленчатого вала и шатунов.
42
Глава 2. Механизмы двигателя
2
1
3
7
4
6
5
Рис. 2.2. Блок цилиндров двигателя Audi 4,2 л V8 TDI:
1 — главная масляная магистраль; 2 — блок цилиндров; 3 — опорная рама;
4 — алюминиевый масляный поддон; 5 — каналы слива масла; 6 — приливы
опорной рамы; 7 — коленчатый вал
Таким образом, стекающее масло не разбрызгивается по стенкам
всего блока двигателя, а улавливается и отводится непосредственно в поддон.
Применение турбонаддува в современных двигателях одновременно с повышением мощности влечет за собой увеличение максимальных значений давления рабочего цикла. Поэтому материал
и форма прокладки головки блока оказывают большое влияние на
распределение сил в системе затяжки головки блока. Для надежного уплотнения прокладки головки блока современных двигателей изготавливают многослойными (обычно 4 слоя) и разными по
высоте (гофрированными) (рис. 2.3).
Долгое время единственным материалом для изготовления блоков цилиндров служил чугун. Этот материал недорогой, отличается
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
43
прочностью и жесткостью при хороших литьевых качествах. Кроме
того, обработанные хонингованием внутренние поверхности чугунных цилиндров обладают отличными антифрикционными свойст
вами и высокой износостойкостью. Существенными недостатками
чугуна являются его большая масса и низкая теплопроводность.
Стремление конструкторов к созданию более легких двигателей привело
1
к разработке конструкции блоков ци2
линдров из алюминиевых сплавов. Алюминий значительно уступает чугуну
в жесткости и износостойкости, поэтому
блок из алюминия должен иметь большое количество ребер жесткости, а цилиндрами обычно служат чугунные гильзы, которые вставляются в алюминиеРис. 2.3 Прокладка
вый блок в процессе сборки, заливаютголовки блока:
ся или запрессовываются в него при
1 — слои прокладки;
изготовлении.
2 — профиль прокладки
Современные технологии дают возможность изготавливать легкие «алюминиевые» двигатели, блок цилиндров
2
которых не имеет чугунных гильз. На
1
рабочих поверхностях цилиндров в алюминиевых блоках электролитическим
путем обеспечивается повышенное содержание кремния, затем цилиндры
подвергаются химическому травлению
для создания на рабочей поверхности
износостойкой пористой пленки чи3
стого кремния, хорошо удерживающей
смазку.
Рабочие поверхности цилиндров со- Рис. 2.4. Схема нанесения
временных алюминиевых блоков двигапокрытия на стенки
телей могут иметь покрытие, наносимое цилиндра плазмотроном:
плазменным напылением. Напыляемый 1 — струя плазмы с напыляемым порошком; 2 —
на стенки цилиндра порошок подается
плазмотрон; 3 — рабочая почерез плазмотрон (рис. 2.4).
верхность цилиндра
44
Глава 2. Механизмы двигателя
Газ, предназначенный для создания плазмы, проходит через
распылитель и поджигается электродугой. При этом температура
газа повышается примерно до 11 700 °C, и он переходит в плазменное состояние. Частицы порошка в расплавленном состоянии
заполняют неровности поверхности цилиндра. При застывании
частица надежно соединяются со стенками цилиндра. Дополнительно внутри напыленного слоя возникает напряжение сжатия,
что еще больше укрепляет связь между металлом цилиндра и напыленным слоем.
После напыления, как и при традиционном исполнении цилиндров, производится хонингование, однако в этом случае риски
вследствие хонингования не так глубоки. Возникает весьма ровная наружная поверхность с небольшими впадинами (микроуглублениями), в которых находится масло. Каждое микроуглубление
не связано с другими в отличие от хонингования чугунных гильз.
Когда поршневое кольцо проходит над микроуглублением, в последнем создается давление, воздействующее на поршневое кольцо. В результате этого поршневое кольцо всплывает поверх масляной подушки, чем и обеспечивается гидродинамическая смазка.
Таким образом, потери на трение и износ существенно уменьшаются.
Преимуществами данного способа изготовления цилиндров по
сравнению с обычными являются:
снижение массы по сравнению с конструкцией со вставными гильзами цилиндров;
уменьшение размеров двигателя по сравнению с чугунным
блоком цилиндров за счет сужения перемычек между цилиндрами;
увеличение срока службы цилиндров благодаря износостойкому покрытию, наносимому плазменным напылением.
Поршни. В настоящее время поршни бензиновых и дизельных
автомобильных двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов. В процессе изготовления поршня в отливку часто закладывают стальные вставки, которые повышают его жесткость и препятствуют температурному расширению. Иногда стальную вставку
располагают в канавке под верхним компрессионным (наиболее
нагруженным) поршневым кольцом.
Поршни стали значительно короче. Часть юбки обрезается
с каждой стороны, и остаются только две небольшие секции для
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
45
того, чтобы предотвратить перекос поршня в цилиндре. Благодаря
усовершенствованной конструкции силы, воздействующие на поршень, сбалансированы таким образом, чтобы свести к минимуму
тенденцию к его повороту. Расстояние от днища поршня до верхней канавки под поршневое кольцо уменьшают с целью снижения
возможности образования нагара в этой части. За счет уменьшения размеров сечений в конструкции поршня удалось значительно
снизить его массу. Для уменьшения потерь на трение и повышения
долговечности деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ)
на боковую поверхность поршня наносят слой антифрикционного
материала, содержащего дисульфид молибдена или графит.
Для отвода тепла из зоны колец в поршне может быть предусмотрен охлаждающий канал 4 (рис. 2.5), по которому циркулирует
масло, подаваемое через форсунки при положении поршня вблизи
нижней мертвой точки. В бобышках поршня устанавливаются латунные втулки 7, а в днище делаются подклапанные выемки, исключающие возможность соприкосновения клапана с поршнем.
1
2
3
5
5
4
7
6
Рис. 2.5. Поршень современного двигателя:
1 — подклапанные выемки; 2 — камера сгорания; 3 — высота жарового слоя;
4, 5 — охлаждающий канал; 6 — форсунка; 7 — латунная втулка
Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива
имеют особую форму (рис. 2.6), необходимую для обеспечения
процесса сгорания топлива.
Они представляют собой литые поршни с залитой вставкой 2
для верхнего поршневого кольца. Применение вставки для колец
типично также для дизельных двигателей легковых автомобилей
с высокой нагрузкой. На бензиновых двигателях эта технология
46
Глава 2. Механизмы двигателя
1
2
3
4
2
5
Рис. 2.6. Поршень системы непосредственного впрыска
бензинового двигателя:
1 — выемка; 2 — вставка; 3 — верхнее компрессионное кольцо;
4 — второе компрессионное кольцо; 5 — маслосъемное кольцо
впервые была использована в двухлитровом двигателе TFSI. Благодаря конструкции с малой массой, наличию вставки для поршневых колец и покрытию юбки поршни имеют длительный срок
службы, плавный ход и низкие потери мощности на трение. Верхнее копрессионное кольцо 3 выполнено в виде кольца прямоугольного сечения. Второе компрессионное кольцо 4 выполнено в виде
кольца с конической поверхностью и подрезом, а маслосъемное
кольцо 5 представляет собой пружинящее кольцо с расширителем.
В современных дизельных двигателях в связи с повышенным
давлением сгорания, по сравнению с давлением в обычных двигателях, применяются трапециевидные поршни и шатуны (рис. 2.7).
Благодаря трапециевидной форме плоскостей сопряжения поршня и шатуна площадь нагруженных поверхностей отверстий в поршне и шатуне под поршневой палец увеличивается. Вследствие такой
формы поверхностей сила давления сгорания распределяется на
большей площади, в результате чего удельные давления на поршневой палец и шатун уменьшаются.
Поршневые кольца изготавливаются из специально модифицированного чугуна. Один из способов получения более компактных
и легких поршней — выполнение колец более узкими и мелкими
с компактным размещением их в верхней части головки поршня.
При этом предъявляются повышенные требования к материалу, из
которого они изготовлены, и к точности их изготовления.
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
а
Сила давления
сгорания
47
б
Нагруженные
поверхности
Увеличенные
поверхности
Рис. 2.7. Распределение усилий на поршне и шатуне с параллельными
(а) и трапециевидными (б) сопрягающимися поверхностями
Шатуны. В двигателях наиболее распространены стальные шатуны. Они или штампуются (для уменьшения стоимости), или изготавливаются ковкой (более дорогие, но прочные), но в обоих
случаях обязательно подвергаются упрочнению, в том числе и закалке. В некоторых последних моделях используются шатуны из
алюминиевых сплавов. Проводятся эксперименты по применению
шатунов из композитных материалов, когда алюминий упрочняется керамическими волокнами. В высокофорсированных двигателях спортивных автомобилей, как правило, используются шатуны
из сплава титана.
Поршневой палец может проворачиваться как в головке шатуна, так и в бобышках поршня. В последнем случае он фиксируется
от продольного перемещения специальными стопорными кольцами, а между пальцем и внутренней поверхностью головки шатуна
устанавливается втулка из антифрикционного материала. Такой
поршневой палец называется «плавающим». Преимущество «плавающего» пальца — равномерный износ по окружности, а также
большая надежность работы (на случай заклинивания в шатуне
или в бобышках). Поршневые пальцы «неплавающего» типа запрессованы в верхней головке шатуна и проворачиваются только
в бобышках поршня. В этом случае стопорные кольца и втулка
не нужны, а конструкция проще и легче. Нижняя головка шатуна
48
Глава 2. Механизмы двигателя
а
1
б
2
3
Рис. 2.8. Схема технологий изготовления шатунов:
а — технология резки; б — технология крекинга; 1 — инструмент для резки;
2 — инструмент для разлома; 3 — предварительно прорезанная линия разлома
делается разборной, чтобы имелась возможность соединения с шейкой коленчатого вала, а две части шатуна соединяются болтами.
В зависимости от места производства шатуны современных
двигателей обрабатываются по технологиям резки или крекинга.
При обработке резкой (рис. 2.8, а) шатун сначала подвергается
первичной обработке, затем крышка шатуна отрезается от головки
шатуна. Для окончательной обработки обе детали соединяются
болтами.
Если используется технология крекинга (рис. 2.8, б), то шатун
обрабатывается как целая деталь. На головке шатуна лазерным лучом прорезается линия разлома 3 для процесса крекинга. После
этого крышка шатуна отламывается от головки с достаточным усилием, прикладываемым специальным инструментом 2.
Преимуществом метода крекинга является то, что при сборке
шатуна нижняя крышка и стержень стыкуются практически идеально, обеспечивая полное совпадение разлома во всех направлениях, это не позволяет также перепутать их при установке, в случае ремонта.
В настоящее время последний способ применяют и при изготовлении крышек коренных подшипников коленчатого вала.
Уравновешивание V-образных двигателей. Чтобы снизить вибрацию двигателя в процессе его работы, необходимо уравновесить
моменты, создаваемые силами инерции. Для этого предусмотрены
противовесы, закрепленные на коленчатом валу болтами или выполненные при изготовлении вала, а также уравновешивающий
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
49
2
Рис. 2.9. Уравновешивание
двигателя V6-FSI рабочим объемом 3,2 л Audi:
1
1 — раздвоенная шатунная
шейка; 2 — уравновешивающий вал; 3 — противовес
коленчатого вала
3
вал (рис. 2.9). Моментам сил инерции противостоят также противовесы на уравновешивающем валу и в шестерне его привода. Уравновешивающий вал приводится во вращение от коленчатого вала
и вращается в противоположном ему направлении. Он используется также для привода масляного насоса.
Противовесы изготовляются из сплава вольфрама, отличающегося высокой плотностью, что позволяет уменьшить их размеры.
Гасители крутильных колебаний и двухмассовые маховики.
Каким бы жестким ни был коленчатый вал, он подвергается крутильным колебаниям. Крутильные колебания можно представить
как постоянное закручивание с последующим раскручиванием вала,
что происходит при работе двигателя с определенной частотой. При
совпадении частоты крутильных колебаний с частотой внешних
сил может возникнуть резонанс, который приведет к резкому увеличению нагрузок, действующих на коленчатый вал, и, как следствие, к его поломке. Излом коленчатых валов (обычно в месте
соединения щеки с коренной шейкой) часто являлся причиной
выхода из строя двигателей старых конструкций. Современные
коленчатые валы имеют высокую жесткость, и резонансные час
тоты находятся за пределами возможных частот вращения валов
этих двигателей. Тем не менее в конструкции двигателей часто
применяют гасители крутильных колебаний, которые снижают до
нужного уровня виброактивность коленчатого вала. Одним из способов гашения крутильных колебаний является разделение шкива
или диска, установленного на коленчатом валу, на внутреннюю
50
Глава 2. Механизмы двигателя
и наружную части — двухмассовый
маховик (рис. 2.10). Обе части соединяются упругим материалом, который поглощает вибрации за счет
внутреннего трения.
Другой способ — заполнение корпуса маховика силиконовой жидкостью. При этом гашение крутильных
колебаний коленчатого вала осуществляется за счет сил сдвига, действующих в силиконовой жидкости.
Фирма ZF Services разработала
серию оригинальных двухмассовых
Рис. 2.10. Двухмассовый
маховик
маховиков SACHS, предназначенных
для установки на различные модели
легковых автомобилей. Конструктивной особенностью таких маховиков является наличие планетарного механизма передачи вращения от ведущего диска ведомому (рис. 2.11).
Планетарный механизм и гаситель крутильных колебаний (система демпфирующих пружин 9, 11) располагаются внутри маховика, состоящего из двух массивных дисков (корпусов) 1 и 2. Пространство между маховиками заполнено густой консистентной смазкой.
В отличие от классического однодискового сцепления, где соотношение массы ведущего и ведомого дисков составляет 1 : 0,1,
у двухмассового маховика оно составляет 1 : 1, т.е. массы ведущего
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Рис. 2.11. Двухмассовый маховик
с планетарным механизмом:
1 — главный корпус маховика; 2 —
вспомогательный корпус маховика;
3 — шестерня планетарного механизма; 4 — корончатая шестерня;
5 — подшипник скольжения радиальный; 6 — подшипник скольжения
осевой; 7 — отверстие для штифта
стопорения вращения; 8 — упор
пружины; 9 — пружина жесткая;
10 — ползун; 11 — пружина мягкая;
12 — защитный стальной кожух
для системы смазки
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
51
и ведомого дисков равны. Такая конструкция обеспечивает эффективное гашение колебаний и вибрации, что крайне важно при работе двигателя на низкой частоте вращения коленчатого вала при
трогании с места. Трансмиссия с двухмассовым маховиком одинаково стабильно работает при обычном и прерывистом импульсном
запуске двигателя, его остановке и на холостом ходу. Во многом
это объясняется согласованностью действия обоих маховиков, которая обеспечивается последовательным соединением нескольких
поддерживающих пакетов переменной жесткости, предотвращающих блокировку демпфирующих пружин. Кроме того, применение
планетарного механизма значительно улучшает динамический момент инерции масс трансмиссии.
По своей конструкции двухмассовые маховики намного сложнее обычных сцеплений, поэтому их обслуживание и замена требуют лучшей подготовки обслуживающего персонала и наличия
специального инструмента.
Многоцилиндровые V-образные двигатели для снижения шума
при работе и уменьшения нагрузки на коленчатый вал могут оборудоваться демпферами крутильных колебаний на шкиве коленчатого вала (рис. 2.12).
Крепление деталей двигателя. Крепление «болт в болту» — одно
из новых направлений в конструкции крепления головки блока
и крышки подшипников распределительного вала (рис. 2.13).
Корпус подшипников распределительных валов притягивается
к головке цилиндров посредством коротких болтов, которые вво-
1
Рис. 2.12. Демпфер крутильных
колебаний с противовесом на
шкиве коленчатого вала:
2
3
1 — противовес со стороны коленчатого вала; 2 — прослойка резины;
3 — наружная часть шкива
52
Глава 2. Механизмы двигателя
1
2
3
Рис. 2.13. Соединение головки блока и корпуса подшипников распределительного
вала «болт в болту»:
1 — корпус подшипников; 2 —
головка цилиндров; 3 — болт
крепления головки цилиндров;
4 — блок цилиндров
4
рачиваются в расположенные в два ряда болты крепления головки
к блоку цилиндров. Эти соединения позволяют увеличить компактность совместной конструкции головки цилиндров и корпуса
подшипников распределительных валов и создают условия для
уменьшения межцилиндровых расстояний.
Принцип анкерных связей. Чтобы снизить деформации цилиндров и обеспечить сохранение оптимальной формы их рабочих поверхностей, головка цилиндров некоторых двигателей притягива4
5
3
Рис. 2.14. Крепление головки
блока анкерными болтами:
2
1
1 — анкерный болт; 2 — блок цилиндров; 3 — плавающая втулка;
4 — болт крепления головки цилиндров; 5 — головка цилиндров
53
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
ется к блоку с помощью анкерных болтов (рис. 2.14). Анкерные
болты соединяются посредством плавающих втулок, расположенных в блоке цилиндров и фиксируемых от проворачивания в нем.
Болт крепления головки цилиндров вворачивается в плавающую
втулку с одной стороны, а нижний анкерный болт — с другой.
Привод механизмов двигателя. В V-образных двигателях больших рабочих объемов в связи со значительными передающими
усилиями на привод механизмов и систем двигателя могут применяться зубчатые шестеренчатые передачи (рис. 2.15). По сравнению
6
5
4
7
8
3
2
1
10
9
Рис. 2.15. Привод агрегатов и механизмов V-образного двигателя на
примере двигателя V 10 TDI VW:
1 — шестерня привода насоса гидроусилителя рулевого управления и компрессора кондиционера; 2 — шестерня коленчатого вала; 3 — ведущая шестерня;
4 — шестерня распределительного вала первого ряда цилиндров; 5 — компенсационная шестерня; 6 — шестерня привода насоса охлаждающей жидкости;
7 — шестерня привода генератора; 8 — шестерня распределительного вала второго ряда цилиндров; 9 — болты крепления; 10 — шестерня привода масляного насоса, установленная на уравновешивающем валу
54
Глава 2. Механизмы двигателя
с ременной или цепной шестеренчатая передача позволяет передавать большие усилия при равных габаритах механизма. При этом
отсутствуют явления, связанные с вытягиванием ремня или цепи,
кроме того, зубчатые передачи не нуждаются в обслуживании.
Модуль раздаточного механизма представляет собою комплект
косозубых стальных шестерен с углом наклона 15°, что обеспечивает зацепление одновременно двух шестерен, установленных
между двумя несущими корпусными плитами. Чтобы обеспечить
одинаковое тепловое расширение всех деталей модуля и сохранение
боковых зазоров в зацеплениях шестерен, несущие плиты изготовляются из термически обработанного чугуна. Модуль раздаточного
механизма притянут тремя болтами к модулю подшипников коленчатого вала, который также изготовляется из чугуна.
Шестерни распределительных валов связаны с раздаточным
механизмом через компенсационное устройство. Распределительные валы установлены в алюминиевых головках цилиндров, а материалом несущих плит модуля раздаточного механизма является
чугун. Так как при нагреве алюминий расширяется в большей степени, чем чугун, возникает необходимость в компенсации зазора
в зацеплении шестерен. Для этого предусмотрена компенсационная шестерня 5, установленная в шарнирном корпусе между шестерней 4 распределительного вала и ведущей шестерней 3 раздаточного механизма.
При нагреве изменяется положение оси распределительного
вала относительно модуля раздаточного механизма. Компенсационная шестерня перемещается совместно с шарниром, соединяющим пластины компенсационного устройства, поэтому боковые
зазоры в зацеплениях шестерен остаются неизменными.
Подвеска силового агрегата. Производители автомобилей большое внимание уделяют гашению колебаний не только автомобиля,
но и отдельных его агрегатов, в частности силового агрегата — двигателя, сцепления, коробки передач, ведущего моста, с помощью
жидкостных упругих элементов — амортизаторов.
Существуют различные методы гашения колебаний силовых
агрегатов. В качестве примера рассмотрим управление упругим
элементом с помощью электромагнитного клапана без применения и с применением вакуумного привода.
Управление упругим элементом с помощью электромагнитного
клапана без применения вакуумного привода показано на рис. 2.16.
55
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
а
б
1
2
2
3
4
4
6
5
3
Рис. 2.16. Принцип работы упругого элемента подвески силового
агрегата (электромагнитный клапан):
а — режим холостого хода; б — режим движения; 1 — верхняя полость; 2 —
резиновая мембрана; 3 — подвод атмосферного давления; 4 — масляный канал;
5 — электромагнитный клапан; 6 — нижняя полость
В режиме холостого хода при частоте вращения до 1100 об/мин
динамическая жесткость подвески силового агрегата снижается, что
уменьшает вибрации, передаваемые на кузов при работе двигателя
на режиме холостого хода и при трогании автомобиля. Электромагнитный клапан 5 при этом режиме открыт. Небольших высокочастотных колебательных движений двигателя недостаточно для
того, чтобы подать масло через масляный канал 4, поэтому давление масла действует на резиновую мембрану 2. Она деформируется
и выталкивает воздух через открытый воздушный канал. Упругий
элемент подвески силового агрегата при этом имеет пониженную
жесткость.
В режиме движения, когда частота вращения коленчатого вала
превышает 1100 об/мин, небольшие и большие низкочастотные
колебательные движения двигателя накладываются друг на друга.
Блок управления двигателя закрывает электромагнитный клапан 5.
Выход воздуха из-под резиновой мембраны 2 невозможен, что приводит к образованию воздушной подушки. Последняя оказывает
сильное сопротивление давлению масла в упругом элементе, и масло выталкивается в нижнюю полость через масляный канал. Резиновый гофрированный чехол, установленный на упругом элементе,
56
Глава 2. Механизмы двигателя
деформируется, за счет этого происходит гашение сильных колебаний двигателя. Малые колебания двигателя воспринимает резиновая мембрана.
Управление упругим элементом с применением вакуумного привода (рис. 2.17) осуществляется с помощью тарелки 2 электромагнитного клапана с вакуумным приводом (см. рис. 2.16, а). Полость
под установочной мембраной упругого элемента может соединяться посредством электромагнитного клапана с атмосферой или
с источником разрежения. Электромагнитный клапан устанавливается как отдельно, так и внутри упругого элемента.
При работе двигателя на холостом ходу и скорости движения
до 5 км/ч на обмотку клапана подается питание, его тарелка при
этом поднимается, и полость под установочной мембраной упругого элемента соединяется с впускным трубопроводом.
Под действием разрежения мембрана демпфера опускается и открывает соединительный канал между верхней и нижней камерами.
в
9
а
10
б
3
8
6
7
6
14
11
5
2
4
1
13
12
Рис. 2.17. Принцип работы упругого элемента подвески силового
агрегата (вакуумный привод):
а — электромагнитный клапан; б — сопловой аппарат; в — упругий элемент
(демпфер); 1 — штуцер подвода разрежения от впускного трубопровода; 2 —
тарелка электромагнитного клапана; 3 — подвод атмосферного давления; 4 —
штуцер электромагнитного клапана подачи разрежения к опоре; 5 — нижняя
камера; 6 — сопловой аппарат; 7 — верхняя камера; 8 — раствор гликолевой
жидкости; 9 — соединительный канал; 10 — канал; 11 — мембрана демпфера;
12 — клапан мембраны демпфера; 13 — штуцер вакуумного трубопровода
опоры; 14 — направление движения жидкости в сопловом аппарате
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
57
При открытом соединительном канале за счет перетекания жидкости уменьшается динамическая жесткость подвески силового
агрегата и снижаются вибрации, передаваемые на кузов при работе двигателя на режиме холостого хода и трогания автомобиля.
При скорости автомобиля выше 5 км/ч блок управления двигателем выключает питание электромагнитного клапана. Тарелка
электромагнитного клапана закрывает канал, соединенный с впускным трубопроводом. В результате этого воздух под атмосферным
давлением поступает через электромагнитный клапан в полость
под мембраной демпфера.
Под действием атмосферного давления мембрана демпфера
перекрывает соединительный канал между камерами 5 и 7
(рис. 2.17, в). В этом положении гликолевая жидкость может перетекать между камерами только по спиральному каналу в сопловом
аппарате (рис. 2.17, б), что позволяет гасить колебания силового
агрегата, возникающие при движении автомобиля по неровной
дороге.
Системы изменения степени сжатия двигателя. Степень сжатия
двигателя внутреннего сгорания тесно связана с КПД. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается областью детонационного сгорания, что имеет особое значение для работы двигателя на полных нагрузках, в то время как на частичных нагрузках
высокая степень сжатия не вызывает опасности детонации.
Для увеличения мощности двигателя и повышения экономичности желательно снижать степень сжатия, однако малая степень
сжатия для всех диапазонов работы двигателя приведет к снижению
мощности и увеличению расхода топлива на частичных нагрузках.
При этом значения степени сжатия, как правило, выбираются намного ниже тех величин, при которых достигаются наиболее экономичные показатели работы двигателей. Экономичность двигателей заведомо ухудшается, что особенно сильно проявляется при
работе на частичных нагрузках. Между тем снижение наполнения
цилиндров горючей смесью, возрастание относительного количества остаточных газов, уменьшение температуры деталей создают
возможности для увеличения степени сжатия при частичных нагрузках с целью повышения экономичности и мощности двигателя. Чтобы решить такую компромиссную задачу, разрабатываются
варианты двигателей с изменяющейся степенью сжатия.
58
Глава 2. Механизмы двигателя
Повсеместное применение в конструкциях двигателей систем
наддува сделало направление этой работы еще более актуальным.
При наддуве значительно увеличиваются механические и тепловые нагрузки на детали двигателя, поэтому их приходится усиливать, повышая массу всего двигателя в целом. При этом, как правило, срок службы деталей, работающих при более нагруженном
режиме, сокращается, а надежность двигателя снижается. В случае
перехода на переменную степень сжатия рабочий процесс в двигателе при наддуве можно организовать так, что за счет соответствующего снижения степени сжатия при любых давлениях наддува
максимальные давления рабочего цикла (т.е. эффективность работы) будут оставаться неизменными или изменяться незначительно. При этом, несмотря на увеличение полезной работы за цикл,
а следовательно, и мощности двигателя, максимальные нагрузки
на его детали могут не повышаться, что позволяет форсировать
двигатели без внедрения изменений в их конструкцию.
Для нормального протекания процесса сгорания в двигателе
с изменяющейся степенью сжатия важен правильный выбор формы
камеры сгорания, обеспечивающей наиболее короткий путь распространения пламени. Фронт распространения пламени должен изменять2
ся очень оперативно, в зависимости
от режима работы двигателя при экс3
плуатации автомобиля. С учетом при1
менения дополнительных деталей
+
в кривошипно-шатунном механизме
4
необходимо также разрабатывать системы с малым коэффициентом тре6
5
ния, чтобы не потерять преимуществ
при применении изменяющейся степени сжатия.
Один из наиболее распространенРис. 2.18. Схема двигателя
с изменяющейся степенью
ных вариантов двигателя с изменяюсжатия:
щейся степенью сжатия показан на
1 — шатун; 2 — поршень; 3 —
рис. 2.18.
эксцентриковый вал; 4 — доНа частичных нагрузках дополполнительный шатун; 5 — шанительный шатун 4 занимает край- тунная шейка коленчатого вала;
нее нижнее положение и поднимает
6 — кривошип
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
59
зону рабочего хода поршня — степень сжатия максимальна. При
высоких нагрузках эксцентрик на валу 3 поднимает ось верхней
головки дополнительного шатуна 4, при этом увеличивается надпоршневой зазор и уменьшается степень сжатия.
В 2000 г. в Женеве был представлен экспериментальный бензиновый двигатель фирмы SAAB с изменяемой степенью сжатия.
Его уникальные особенности дают возможность достигать мощности 225 л.с. при рабочем объеме 1,6 л и сохранять расход топлива,
сравнимый с расходом вдвое меньшего двигателя. Возможность
бесшагового изменения рабочего объема позволяет двигателю работать на бензине, дизельном топливе или на спирте.
Цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок,
т.е. единым блоком, а не раздельно, как у обычных двигателей
(рис. 2.19). Отдельный блок представляют собой также блок-кар
тер и шатунно-поршневая группа. Моноблок может перемещаться
в блок-картере. Левая сторона моноблока при этом опирается на
расположенную в блоке ось 1, служащую шарниром, правая — может приподниматься или опускаться при помощи шатуна 3, управляемого эксцентриковым валом 4. Для герметизации моноблока
и блок-картера предусмотрен гофрированный резиновый чехол 2.
Степень сжатия изменяется при наклоне моноблока относительно блок-картера посредством гидропривода при неизмененном ходе поршня. Отклонение моноблока от вертикали приводит
4
2
1
3
4
Рис. 2.19. Двигатель
с изменяющейся степенью
сжатия SAAB
60
Глава 2. Механизмы двигателя
а
б
Двигатель
Двигатель
Интеркуллер
Интеркуллер
2
1
2
Нагнетатель
3
1
Нагнетатель
3
Рис. 2.20. Изменение подачи воздуха в двигатель SAAB при различных
режимах:
а — на малой частоте вращения коленчатого вала; б — на нагрузочных режимах; 1 — дроссельная заслонка; 2 — перепускной клапан; 3 — сцепление
к увеличению объема камеры сгорания, что вызывает снижение
степени сжатия.
При уменьшении угла наклона степень сжатия повышается.
Максимальная величина отклонения моноблока от вертикальной
оси — 4°.
На минимальной частоте вращения коленчатого вала и сбросе
подачи топлива, а также при малых нагрузках моноблок занимает
самое нижнее положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия — 14). Система наддува отключается,
и воздух поступает в двигатель напрямую (рис. 2.20, а).
Под нагрузкой шатун отклоняет моноблок в сторону за счет
поворота эксцентрикового вала, и объем камеры сгорания увеличивается (степень сжатия — 8). При этом сцепление подключает
нагнетатель и воздух начинает поступать в двигатель под избыточным давлением (рис. 2.20, б).
Оптимальная степень сжатия рассчитывается блоком управления электронной системы с учетом частоты вращения коленчатого
вала, степени нагрузки, вида топлива и других параметров.
В связи с необходимостью быстрого реагирования на изменение степени сжатия в данном двигателе пришлось отказаться от
турбокомпрессора в пользу механического наддува с промежуточным охлаждением воздуха с максимальным давлением наддува
2,8 кгс/см2.
2.1. Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
5
6
Рис. 2.21. Двигатель с изменяемой степенью сжатия (VCR):
4
3
2
61
7
1 — коленчатый вал; 2 — шатун;
3 — зубчатый опорный ролик;
4 — зубчатая рейка поршня; 5 —
зубчатый сектор; 6 — поршень
управляющего цилиндра; 7 —
опорная зубчатая рейка управления
1
Расход топлива двигателем SAAB на 30 % меньше, чем обычным двигателем такого же объема, а показатели токсичности отработавших газов соответствуют действующим нормам.
Французская фирма МСЕ-5 Development разработала для концерна Peugeot-Citroёn двигатель с изменяемой степенью сжатия
VCR (Variable Compression Ratio), в котором применена оригинальная кинематика кривошипно-шатунного механизма (рис. 2.21).
В данной конструкции движение от шатуна на поршни передается через двойной зубчатый сектор 5. С правой стороны двигателя
расположена опорная зубчатая рейка 7, на которую опирается сектор 5. Такое зацепление обеспечивает строго возвратно-поступа
тельное движение поршня цилиндра, который соединен с зубчатой
рейкой 4. Рейка 7 соединена с поршнем 6 управляющего гидроцилиндра.
В зависимости от режима работы двигателя по сигналу блока
управления двигателем изменяется положение поршня 6 управляющего цилиндра, связанного с рейкой 7. Смещение рейки 7
управления вверх или вниз изменяет положение ВМТ и НМТ
поршня двигателя, а вместе с ним и степень сжатия от 7:1 до 20:1
за 0,1 с. В случае необходимости возможно изменять степень сжатия для каждого цилиндра в отдельности.
62
Глава 2. Механизмы двигателя
2.2. Газораспределительный механизм
2.2.1. Гидравлические толкатели
Клапаны газораспределительного механизма приводятся в действие непосредственно кулачками распределительных валов через
цилиндрические гидротолкатели (гидрокомпенсаторы зазора), которые расположены в направляющих отверстиях головки цилиндров по оси отверстий под клапаны.
Благодаря гидротолкателям уменьшаются стуки, механизм работает более плавно и четко, компенсируются неисправности двигателя, которые могли быть при нарушении зазоров (прогары клапанов, потеря мощности и т.п.). В связи с отсутствием зазора не
изменяются фазы газораспределения при износе деталей клапанного механизма. Кроме того, при техническом обслуживании автомобиля не требуется регулировать зазор в клапанном механизме.
Чашечный гидротолкатель (рис. 2.22) состоит из корпуса 1
толкателя, цилиндра 2, плунжера 5 и обратного шарикового клапана 3, который поджат к отверстию в поршне пружиной. Поршень и плунжер разжимаются возвратной пружиной 4, находящейся между ними.
Масло для работы гидротолкателей подводится из системы
смазки по каналу Н, а затем по каналам, выполненным на нижней
плоскости корпуса подшипников. По этим же каналам поступает
масло и для смазки шеек распределительных валов. Кулачки валов
смазываются маслом, находящимся в ваннах головки цилиндров
под кулачками. В канале Н расположен обратный шариковый клапан 15, не допускающий слива масла из верхних каналов после
остановки двигателя.
Работает гидротолкатель следующим образом.
Когда клапан закрыт, масло из канала Н поступает в толкатель
через канавку и отверстие в боковой поверхности, проходит через
паз, расположенный в верхней части толкателя, и поступает в его
цилиндр. Пружина и масло, находящиеся между цилиндром 2 и плунжером 5, разжимают их и прижимают верхнюю плоскость корпуса 1
толкателя к кулачку, а нижнюю плоскость плунжера к торцу клапана,
выбирая зазор в клапанном механизме. Жесткость этой пружины
63
2.2. Газораспределительный механизм
2 b 3
1
a
c
5
7
6
4
8
15
9
10
11
12
14
H
13
Рис. 2.22. Гидротолкатель:
1 — корпус; 2 — цилиндр; 3 — шариковый клапан; 4 — пружина; 5 — плунжер;
6 — распределительный вал; 7 — жиклер; 8 — разрез головки блока; 9 — кулачок; 10 — гидротолкатель; 11 — клапанная пружина; 12 — направляющая
втулка; 13 — клапан; 14 — головка блока; 15 — обратный шариковый клапан;
а — накопительная камера; b — поршневая камера; c — рабочая камера; H —
канал подачи смазки
и давление масла намного меньше жесткости пружины клапана,
и поэтому клапан остается закрытым, когда толкатель касается затылочной части кулачка (рис. 2.23, а).
Когда на толкатель начинает воздействовать набегающая часть
кулачка, происходит короткий ускоряющий удар по корпусу толкателя, а так как шариковый клапан закрыт, то в камере «с» создается высокое давление. Поскольку жидкость (масло) в камере «с»
практически несжимаема, узел цилиндр — плунжер становится жестким и передает усилие от кулачка на клапан (рис. 2.23, б).
64
Глава 2. Механизмы двигателя
а
б
Рис. 2.23. Принцип работы гидротолкателя:
а — клапан закрыт; б — клапан открыт
По мере дальнейшего поворота кулачка давление в камере «с»
увеличивается и небольшая часть масла из нее перетекает в камеру «а» через зазор между поршнем и плунжером. Поэтому общая
длина узла цилиндр — плунжер уменьшается, но не более чем на
0,1 мм.
После закрытия клапана 13 (см. рис. 2.22) начинается процесс
выборки зазора в клапанном механизме. Силы от кулачка и клапана 15 уже не действуют на гидротолкатель. Возвратная пружина
снова раздвигает цилиндр с плунжером, прижимая верхнюю плоскость корпуса 1 толкателя к кулачку, а нижнюю плоскость плун4
5
Рис. 2.24. Гидротолкатель
с коромыслом:
3
1 — стержень клапана; 2 — подпятник; 3 — гидротолкатель;
4 — коромысло; 5 — продольное сверление; 6 — ось
2
6
1
2.2. Газораспределительный механизм
65
жера — к торцу клапана. При этом давление в камере «с» становится меньше, чем в камере «а», шариковый клапан открывается
и в камеру «с» доливается масло из камеры «а».
Кроме чашечных гидротолкателей, в двигателях могут применяться гидротолкатели 3, на которые воздействуют коромысла 4
(рис. 2.24). Коромысла качаются на вставных осях 6. Гидротолкатель находится в каждом рычаге непосредственно над стержнем
клапана. Масло подводится к гидротолкателю от вставной оси через
продольное сверление 5 в рычаге клапана. Равномерное распределение давления в зоне контакта рычага с клапаном обеспечивается подпятником 2. Для уменьшения потерь на привод клапанов
в указанном коромысле трение скольжения заменено трением качения за счет применения ролика.
Принцип действия гидротолкателя с коромыслом аналогичен
принципу действия чашечного гидротолкателя.
2.2.2. Системы изменения фаз газораспределения
В традиционном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах работы двигателя. Однако постоянные
фазы газораспределения не позволяют оптимизировать процессы
смесеобразования.
Чтобы варьировать фазами газораспределения, необходимо изменять положение распределительного вала относительно коленчатого.
Холостой ход. На этом режиме работы следует устанавливать
такой угол поворота распределительного вала, который соответст
вует самому позднему началу открытия впускных клапанов (максимальный угол задержки при минимальном перекрытии клапанов).
Этим обеспечивается минимальное поступление отработавших газов
во впускной трубопровод, что повышает стабильность работы двигателя и снижает расход топлива.
Режим низких нагрузок. Перекрытие клапанов уменьшается для
минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.
Режим средних нагрузок. Перекрытие клапанов увеличивается,
что позволяет снизить «насосные» потери. При этом часть отрабо-
66
Глава 2. Механизмы двигателя
тавших газов поступает во впускной трубопровод, что дает возможность снизить температуру рабочего цикла и вследствие этого — содержание оксидов азота в отработавших газах.
Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала. На этом режиме происходит раннее закрытие впускных клапанов, что обеспечивает увеличение крутящего момента.
Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно в транспортном потоке.
Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала. Чтобы получить максимальную мощность на этом
режиме, необходимо перекрытие клапанов около ВМТ с большим
углом поворота коленчатого вала. Это связано с тем, что мощность
в наибольшей степени зависит от максимально возможного количества топливовоздушной смеси, попадающей в цилиндр за короткое время, но чем выше частота вращения, тем меньше время, отводимое на заполнение цилиндра.
Основные задачи системы изменения фаз газораспределения:
улучшение качества работы двигателя на холостом ходу;
снижение расхода топлива;
оптимизация крутящего момента в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала;
увеличение внутренней рециркуляции отработавших газов
с сопутствующим ей снижением температуры газов при сгорании
и уменьшением выброса оксидов азота;
повышение мощности в области высоких частот вращения
коленчатого вала.
В 1990-е гг. все больше двигателей стали оборудовать системами
изменения фаз газораспределения таким образом, что угол перекрытия клапанов мог изменяться в соответствии с режимами работы
двигателя. В этих системах, применяемых на двигателях DOHC
(с двумя распределительными валами), в приводную шестерню
распределительного вала впускных клапанов монтировалось специальное устройство. Такое устройство называют изменяемой фазой газораспределения VIVT (Variable Inlet Valve Timing).
Впервые изменение фаз газораспределения было применено на
автомобилях Alfa Romeo в 1983 г. Затем такие системы стали использоваться на автомобилях Mercedes, Nissan, BMW, Porsche и др.
67
2.2. Газораспределительный механизм
Принцип действия привода поворота распределительного вала
для изменения фаз газораспределения может быть механический,
гидравлический, электрический и пневматический.
Как правило, изменение фаз газораспределения применяется
в двигателях с двумя распределительными валами, один из которых служит для открытия впускных клапанов, другой — выпускных. Широкое распространение находят системы с изменением
натяжения цепи по принципу гидравлического кольца, изменение
фаз газораспределения в которых производится только для впускных клапанов. Распределительный вал для открытия выпускных
клапанов приводится во вращение от коленчатого вала двигателя
через шестерню или звездочку ременной или цепного привода 1,
а распределительный вал для открытия впускных клапанов — через цепную передачу от звездочки 2, установленной на распределительном валу привода выпускных клапанов (рис. 2.25).
В систему изменения фаз газораспределения масло поступает
через отверстие в головке блока. Изменение потоков масла осуществляется управляющим клапаном 1, передвигающим золотник 2, по сигналам блока управления двигателем (рис. 2.26).
Для изменения фаз газораспределения впускных клапанов
служит гидравлический цилиндр с поршнем 10. При подаче масла
в цилиндр по сигналу блока управления поршень, выдвигаясь,
2
3
1
Рис. 2.25. Привод системы с изменением натяжения цепи по принципу
гидравлического кольца:
1 — привод распределительного вала для выпускных клапанов; 2 — звездочка
распределительного вала для привода выпускных клапанов; 3 — звездочка
распределительного вала для привода впускных клапанов
68
Глава 2. Механизмы двигателя
5
4
3
2
6
7
1
8
10
9
Рис. 2.26. Устройство для изменения фаз газораспределения по натяжению цепи:
1 — управляющий клапан; 2 — золотник; 3 — звездочка привода впускных
клапанов; 4, 9 — натяжитель цепи; 5 — толкатель натяжителя цепи; 6 — полость для масла; 7 — звездочка привода выпускных клапанов; 8 — фиксатор
стартовый; 10 — управляющий поршень
воздействует на натяжитель цепи. Одна сторона цепи начинает удлиняться, а другая (противоположная) — укорачиваться, при этом
происходит поворот звездочки для привода впускных клапанов,
не связанной цепной передачей с коленчатым валом. Управление
подачей масла осуществляется с помощью клапана 1 по сигналу
электронного блока управления. Указанная система имеет дискретный двухпозиционный диапазон изменения фаз газораспределения, так как давление масла, развиваемое штатным масляным
насосом, изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и может служить только для движения поршня в верхнее
или нижнее положение. Такой принцип изменения фаз газораспределения имеют серийные двигатели фирм Audi, Porsche и Volks
wagen.
В зависимости от сигнала блока управления масло направляется в каналы А или В (рис. 2.27). При неработающем двигателе
натяжение цепи не меняется ввиду отсутствия давления масла на
управляющий поршень 6. Стартовый фиксатор 4 при этом входит
69
2.2. Газораспределительный механизм
а
б
3
2
4
А
1
5
В
6
В А
7
В А
Рис. 2.27. Схема подачи масла в устройство изменения фаз
газораспределения:
а — позднее открытие клапанов; б — раннее открытие клапанов; 1 — возврат
масла; 2 — подвод масла; 3 — продувочное и масляное отверстие; 4 — фиксатор стартовый; 5 — полость для масла; 6 — управляющий поршень; 7 — управляющие каналы
в паз канавки управляющего поршня и стопорит его, исключая колебания цепи. Распределительный вал в данном случае устанавливается на более позднее открытие клапанов, соответствующее увеличению мощности двигателя.
После запуска двигателя давление масла возрастает и воздействует на плоскость стартового фиксатора, преодолевая натяжение
его пружины. Стартовый фиксатор освобождает управляющий поршень, который, передвигаясь, натягивает цепь, устанавливая фазы
газораспределения в положение «Раньше» или «Позже», соответствующее увеличению крутящего момента или мощности двигателя.
При открытом управляющем канале А (рис. 2.27, а) масло воздействует на поршень сверху и он натягивает цепь вниз, устанавливая
открытие клапанов в положение, соответствующее большей мощности (позднее открытие клапанов).
Как только частота вращения коленчатого вала достигнет
1300 об/мин, открывается канал В и масло воздействует на поршень снизу (рис. 2.27, б). Поршень натягивает цепь вверх, устанавливая открытие клапанов в положение, соответствующее большему крутящему моменту (раннее открытие клапанов).
Полость для масла служит для наполнения ее без давления натяжного устройства цепи при запуске двигателя. Это также поло-
70
Глава 2. Механизмы двигателя
жительно сказывается на шумовых свойствах при запуске двигателя. Отверстие 3 сверху полости для масла предназначено для
вентиляции и смазки цепи.
В связи со все более повышающимися требованиями к уменьшению выбросов токсичных веществ с отработавшими газами в настоящее время разработаны устройства, которые могут изменять
фазы газораспределения во всем диапазоне возможной частоты
вращения коленчатого вала двигателя, как для впускных, так и для
выпускных клапанов, что позволяет регулировать количество остаточных отработавших газов в камере сгорания. Бесступенчатое изменение фаз газораспределения дает возможность также улучшить
работу двигателя на холостом ходу и полных нагрузках, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности. Для увеличения
давления на поршень может применяться отдельный масляный
насос. Высокое давление позволяет устанавливать более точное
положение распределительного вала в зависимости от нагрузки
двигателя.
Необходимый угол изменения фаз газораспределения выбирается по полю параметрических характеристик в зависимости от
нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Отклонение необходимого угла поворота распределительного вала от истинного
угла рассчитывается по алгоритму блока управления — согласно
выданному значению изменяется ток в клапане управления давлением масла. Клапан управления в свою очередь изменяет давление
масла на исполнительный механизм, позволяющий поворачивать
распределительный вал. Частота вращения коленчатого вала определяется индуктивными датчиками, установленными на коленчатом или распределительном валу и считывающими частоту вращения по зубчатым колесам на валах.
Распределительный вал привода впускных клапанов может поворачиваться и с помощью поршня (рис. 2.28).
Устройство устанавливается на переднем конце распределительного вала, управляющего впускными клапанами.
При низких частотах вращения коленчатого вала обеспечивается позднее открытие впускных клапанов и минимальное их перекрытие, что позволяет добиться минимально возможного обратного выброса отработавших газов во впускной канал, увеличения
крутящего момента и снижения расхода топлива. В этом положении
71
2.2. Газораспределительный механизм
a
6
5
3
4
б
2
в
1
3
4
2
+
7
Рис. 2.28. Схема устройства изменения фаз газораспределения
поршневого типа:
а — поздние фазы; б — ранние фазы; в — соединение деталей устройства косозубыми шлицами; 1 — головка блока; 2 — распределительный вал; 3 — звездочка привода распределительного вала; 4 — поршень; 5 — электромагнит;
6 — якорь-клапан; 7 — косозубые шлицы
якоря-клапана его вертикальный канал соединен с пространством
с правой стороны поршня, так как электромагнит 5 устройства выключен (рис. 2.28, а). Поршень 4 отжат влево под воздействием
пружины и давления масла, поступающего через якорь-клапан 6.
На высоких частотах по команде электронного блока управления двигателем включается электромагнит 5, сердечник которого
соединяет вертикальный канал с пространством с левой стороны
поршня (рис. 2.28, б). Масло из центрального отверстия распределительного вала поступает под поршень 4, имеющий внутренние
и наружные косые шлицы. Ответные шлицы имеют конец вала
и ступица звездочки 3 цепи. Двигаясь в направлении «назад», поршень за счет шлицев обеспечивает сдвиг звездочки в окружном
направлении относительно вала на 12...15° в сторону более раннего впуска. Это позволяет увеличить крутящий момент двигателя
на высоких частотах вращения. Подобные механизмы устанавливаются на двигателях (Mercedes-Benz, Alfa Romeo и др.) с двумя
верхними распределительными валами.
В конструкции двигателей BMW использованы принципы работы обоих вышеописанных способов изменения фаз газораспределения (рис. 2.29).
При воздействии масла на управляющий поршень косозубая
шестерня 2 может перемещаться в продольном направлении. При
этом она сдвигает в окружном направлении звездочку привода
распределительного вала. Применение такой конструкции позво-
72
Глава 2. Механизмы двигателя
2
1
3
4
Рис. 2.29. Бесступенчатое изменение фаз газораспределения фирмы BMW:
1 — управляющий поршень; 2 — косозубая шестерня; 3 — прямозубая шестерня;
4 — натяжитель цепи
ляет изменять фазы газораспределения не только для впускных
(до 60°), но и для выпускных клапанов (до 46°).
Альтернативной вышеизложенным системам является более
дешевая конструкция системы изменения фаз газораспределения
с использованием лопастного гидравлического двигателя (с гидроуправляемой муфтой) (рис. 2.30).
Привод лопастного гидравлического двигателя состоит из двух
частей — внутренней с закручивающимся ротором 10, связанной
с распределительным валом, и внешней, приводимой цепью или
ременной передачей от коленчатого вала (рис. 2.30). Связь между обеими частями осуществляется с помощью масляной полости,
в которой лопасти поворачивают ротор влево или вправо. Одновременно с ротором поворачивается распределительный вал, на
который навинчен ротор.
Давление масла в рабочей камере зависит от частоты вращения
коленчатого вала, нагрузки и температуры двигателя. Положение
распределительного вала относительно коленчатого вала во время
работы двигателя может быть как переменным, так и постоянным
(фиксированным). Питание рабочей полости осуществляется от
системы смазки двигателя.
73
2.2. Газораспределительный механизм
а
4
5
3
6
7
8
в
б
9
9
A
B
A
B
2
1
Частота вращения двигателя
Расход воздуха и его температура (данные
для определения нагрузки двигателя)
Температура охлаждающей жидкости
10
11
Рис. 2.30. Схема системы непрерывного изменения фаз газораспределения
с гидроуправляемой муфтой:
а — общая схема; б — поворот ротора относительно корпуса вправо; в — поворот ротора относительно корпуса влево; 1 — масляный насос; 2 — электронный блок управления двигателем; 3 — датчик Холла для распределительного
вала привода выпускных клапанов; 4 — датчик Холла для распределительного
вала привода впускных клапанов; 5 — распределительный вал для впускных
клапанов; 6 — распределительный вал для выпускных клапанов; 7 — электрогидравлический распределитель распределительного вала для впускных клапанов; 8 — электрогидравлический распределитель распределительного вала
для выпускных клапанов; 9 — рабочие полости; 10 — ротор; 11 — гидроуправляемая муфта
Жесткая связь между приводной звездочкой и ротором, связанным с распределительным валом, существует только во время
запуска двигателя. Некоторые производители, например Audi, при
запуске двигателя блокируют ротор специальным плунжером,
управляемым гидравлической системой, что позволяет установить
распределительный вал привода впускных клапанов в положение
наиболее благоприятного впуска топливовоздушной смеси. При
наполнении масляной полости маслом внутренняя и внешняя части привода разъединяются. При самом большом давлении масла
74
Глава 2. Механизмы двигателя
распределительные валы поворачиваются в положение, соответствующее наиболее позднему впуску горючей смеси и наиболее
раннему выпуску отработавших газов.
Управляющий электрогидравлический распределитель 8 состоит из гидравлической части и электромагнита. Клапан установлен на корпусе распределительных валов и подключен к системе
смазки двигателя. В цилиндре распределителя имеется золотник,
перемещение которого приводит к изменению потоков масла. Управляет положением золотника управляющий клапан распределителя
по сигналу электронного блока управления 2. В зависимости от
положения распределителя масло подается к гидроуправляемой
муфте через один или через оба канала. Подключением того или
иного канала ротор переставляется в положение «Раньше» или
«Позже» или же удерживается в определенном фиксированном
положении.
Исходное положение золотника определяется натяжением возвратной пружины.
Диапазон перестановки распределительного вала составляет 40°
по углу поворота коленчатого вала или 20° по углу поворота распределительных валов.
В настоящее время системы непрерывного изменения фаз газораспределения применяются на двигателях Audi, Volkswagen, Toyota,
Renault, Volvo и др.
2.2.3. Системы изменения высоты подъема клапана
В 2005 г. в Европе вступили в силу новые нормы по токсичности Евро-4, и моторостроители ищут способы добиться того,
чтобы их серийная продукция соответствовала этим требованиям.
Очередная перенастройка блока управления существенно ухудшит мощностные параметры двигателей и поэтому не приемлема.
Переход на непосредственный впрыск бензина в цилиндры увеличивает выбросы оксидов азота, что требует установки на автомобили более совершенных нейтрализаторов. Такие устройства, чтобы
их не вывели из строя примеси серы, должны иметь систему регенерации, а это существенно повышает их стоимость.
Применение системы изменения фаз газораспределения создает оптимальные условия работы двигателя только при полном
2.2. Газораспределительный механизм
75
открытии дроссельной заслонки. При других режимах работы двигателя дроссельная заслонка ограничивает поток воздуха, так как
она определяет количество воздуха, поступающего в двигатель, на
основании которого электронная система управления устанавливает угол опережения зажигания и количество подаваемого топлива в цилиндры двигателя.
При работе двигателя на режимах частичных нагрузок дроссельная заслонка создает во впускном трубопроводе разрежение,
которое ухудшает наполнение цилиндров. Чтобы исключить из
конструкции двигателя дроссельную заслонку, следует открывать
впускной клапан только на время, необходимое для достижения
нужного наполнения цилиндра горючей смесью.
Вследствие увеличения хода клапана на высокой частоте вращения коленчатого вала достигается наилучшая вентиляция цилиндра и заполнение топливовоздушной смесью. При наименьшей
частоте вращения коленчатого вала ход клапана минимален. При
этом уменьшается эффект перекрытия клапанов, благодаря чему
расход топлива самый низкий. С повышением частоты вращения
коленчатого вала величина открытия клапанов увеличивается. При
этом уменьшается сопротивление газовым потокам внутри цилиндра, возрастает скорость продувки и наполнения цилиндра топливовоздушной смесью. Кроме того, увеличивается действие инерционного эффекта. Топливовоздушная смесь внутри цилиндра запирается клапанами при гораздо большем давлении, ее плотность выше,
чем при минимальной частоте вращения коленчатого вала. Благодаря изменяющемуся ходу клапана потери на трение ниже, чем
при обычном приводе клапанов, вследствие небольшого сопротивления при малом ходе клапана.
Для решения задачи изменения хода клапана разработаны разные конструкции его открытия: механический, электрический
и электрогидравлический привод.
Механический привод клапанов. Изменение высоты кулачка
распределительного вала. Изменение высоты подъема клапана может достигаться изменением высоты кулачка распределительного
вала, воздействующего через коромысло на клапан. Такое решение
под названием «VTEC–System» применяется фирмой Honda.
(VTEC — Variable Valve Timing and Lift Electronic Control — это
электронная система управления временем открытия и высотой
76
Глава 2. Механизмы двигателя
а
3
3
б
3
6
6
4
2
4
1
9
5
7
8
Рис. 2.31. Изменение высоты подъема клапана при разной высоте
кулачка распределительного вала автомобилей Honda:
а — положение кулачков распределительного вала при малой частоте вращения коленчатого вала; б — положение кулачков распределительного вала при
большой частоте вращения коленчатого вала; 1 — запирающий плунжер в свободном состоянии; 2 — канал подачи масла; 3 — профиль кулачков для низкой
частоты вращения коленчатого вала; 4 — основные коромысла; 5 — подача
масла; 6 — профиль кулачков для высокой частоты вращения коленчатого
вала; 7 — дополнительное коромысло; 8 — запирающий плунжер в рабочем
состоянии; 9 — пружинное устройство для подпирания дополнительного коромысла
подъема клапанов.) Принципиальная схема этой системы для двигателя с четырьмя клапанами на каждый цилиндр и двумя распределительными валами показана на рис. 2.31.
Переключающий механизм установлен на оси коромысел. Эта
система позволяет изменять ход клапана в зависимости от частоты
вращения коленчатого вала (высокая или низкая), а также выключать цилиндры из работы.
Распределительный вал, кроме двух кулачков 3 небольшой высоты, имеет посреди них кулачок 6 большой высоты для привода
клапанов каждого цилиндра с увеличенными ходом и продолжительностью открытия. Кулачок большой высоты воздействует на
дополнительное коромысло 7, которое подпирается специальным
пружинным устройством 9. Внутри оси распределительного вала
имеется канал 2 подачи масла к запирающему плунжеру, состоящему из двух частей. Масло к деталям системы подается по каналу, выполненному внутри распределительного вала. Для создания
необходимого давления предусмотрен дополнительный масляный
насос, запитывающийся от основной масляной магистрали. Запирающий плунжер состоит из двух поршней, которые могут пере-
2.2. Газораспределительный механизм
77
двигаться под давлением масла и соединять дополнительное коромысло 7 с основными коромыслами 4. При этом кулачок 6, имеющий
большую высоту, чем кулачки 3, воздействуя на дополнительное
коромысло 7, соединенное с основными коромыслами 4, открывает
клапаны на большую величину и увеличивает продолжительность
подачи топливовоздушной смеси. При прекращении подачи масла
запирающий плунжер под воздействием пружины возвращается
в исходное состояние и дополнительное коромысло отсоединяется
от основных.
Переключение на разные частоты вращения коленчатого вала
происходит по сигналу блока управления в зависимости от разрежения во впускном трубопроводе, нагрузки, скорости движения
автомобиля и температуры двигателя.
Появившись в 1990 г., система VTEC дважды модернизировалась. В настоящее время имеется третья ее серия, отличительная
особенность которой заключается в том, что оптимальное время
и величина открытия впускных клапанов подбираются электроникой для трех режимов работы двигателя: на низкой, средней
и высокой частоте вращения коленчатого вала.
В зоне низкой частоты вращения коленчатого вала система
VTEC обеспечивает экономичный режим работы двигателя на обед
ненной топливовоздушной смеси. На средней частоте величина
открытия клапанов изменяется так, чтобы получить максимальный
крутящий момент. При высокой частоте вращения коленчатого
вала клапаны открываются на максимальную величину для получения максимальной мощности. В настоящее время система VTEC
может регулировать высоту подъема не только впускных, но и выпускных клапанов.
Подобная система применяется и для автомобилей Toyota
(рис. 2.32).
В этой системе запирающий плунжер 1 может приподнимать
цилиндрический толкатель 2, на который опирается скользящий
толкатель 3. При низких частотах вращения коленчатого вала, когда клапан должен быть открыт на небольшую высоту, кулачки распределительного вала воздействуют на ролик 4, связанный осью
с коромыслом. При этом ход клапана небольшой. При увеличении
частоты вращения коленчатого вала по сигналу блока управления
масло подается к запирающему плунжеру. Плунжер, передвигаясь,
78
Глава 2. Механизмы двигателя
4
2
3
3
1
Рис. 2.32. Изменение высоты подъема клапана
автомобилей Toyota
заходит в паз цилиндрического толкателя и жестко связывает
скользящий толкатель с коромыслом. Так как кулачок распределительного вала раньше начинает набегать на скользящий контакт, ход клапана увеличивается. При прекращении подачи масла
к запирающему плунжеру скользящий контакт и плунжер разъединяются, и скользящий контакт работает вхолостую.
Применение этой системы, в отличие от предыдущей, позволяет
использовать стандартный распределительный вал с кулачками,
одинаковыми по высоте.
Рис. 2.33. Фрагмент распределительного
вала с кулачковыми сегментами
79
2.2. Газораспределительный механизм
В двигателях Audi FSI объемом 2,8 и 3,2 л.с. используют так
называемые кулачковые сегменты (valvelift system). Распределительные валы впускных клапанов имеют шлицы, на которых установлены кулачковые сегменты, представляющие собой цилиндрические
втулки с внутренними шлицами (рис. 2.33). Кулачковые сегменты,
имеющие два профиля кулачков — для малого и большого ходов
подъема клапана, могут передвигаться в осевом направлении.
Сдвиг кулачковых сегментов в продольном направлении производится с помощью двух металлических штифтов, которые установлены в головке блока цилиндров перпендикулярно распределительному валу и могут выдвигаться с помощью электромагнитных
исполнительных элементов (рис. 2.34).
На каждой кулачковой втулке выполнено по два сегмента для
каждого клапана. Контуры кулачков имеют форму, обеспечивающую фазы газораспределения в соответствии с желаемыми характеристиками двигателя.
Малые контуры кулачков обеспечивают подъем клапана на 2
или 6 мм, большие — на 5,7 или 10 мм в зависимости от типа двигателя (рис. 2.35).
2
3
8
1
4
7
6
5
Рис. 2.34. Исполнительные механизмы и кулачковые сегменты:
1 — распределительный вал для впускных клапанов; 2 — исполнительные механизмы с металлическим штифтом; 3 — рама подшипников распределительного вала; 4 — осевой ограничитель; 5 — сдвигающая канавка; 6 — кулачковый
сегмент; 7 — кулачок для малого хода подъема клапана; 8 — кулачок для большого хода подъема клапана
80
Глава 2. Механизмы двигателя
а
б
Рис. 2.35. Принцип работы кулачковых сегментов:
а — малые профили кулачков (низкие частоты вращения);
б — большие профили кулачков (высокие частоты вращения)
Исполнительный элемент системы регулировки фаз газораспределения представляет собой электромагнит (рис. 2.36). Для каждого цилиндра используются два исполнительных элемента. Для
перехода на другой контур кулачка сигналы управления всегда подаются лишь на один исполнительный элемент. С металлическим
3
2
4
Рис. 2.36. Исполнительный
механизм:
5
1 — шайба якоря; 2 — демпфирующее кольцо; 3 — постоянный
магнит; 4 — штыревой контакт;
5 — уплотнительное кольцо; 6 —
корпус катушки; 7 — обмотка;
8 — сердечник; 9 — полюсная
шайба; 10 — металлический
штифт
6
1
7
8
9
10
2.2. Газораспределительный механизм
81
штифтом соединен постоянный магнит. Он обеспечивает фиксацию штифта во вдвинутом или выдвинутом положении. Выдвижение металлического штифта производится с помощью электромагнита. Возврат во вдвинутое положение происходит механическим
путем благодаря профилю сдвигающей канавки кулачкового сегмента.
При подаче сигналов управления на исполнительный механизм
от блока управления двигателя металлический штифт выдвигается,
входит в перемещающую канавку кулачкового сегмента. Спиралевидная форма канавки обеспечивает продольное перемещение кулачкового сегмента при его вращении и производит таким образом перевод системы на другой контур кулачка. При включении
электромагнита металлический штифт, который прочно соединен
с постоянным магнитом, начинает движение, пока не достигнет нижнего упора.
Подача сигнала управления на электромагнит производится
только для выдвижения металлического штифта. Затем он удерживается в выдвинутом положении за корпус исполнительного
элемента при помощи постоянного магнита. Кулачковый сегмент
прилегает к осевому ограничителю в точно определенном положении. Перевод кулачкового сегмента в прежнее положение производится с помощью второго металлического штифта со сдвигающей канавкой на противоположной стороне сегмента. При этом
постоянный магнит создает в катушке электромагнита индуктивное напряжение. Этот сигнал используется блоком управления
двигателя для распознавания успешного переключения.
Фирма Porsche в 2000 г. впервые внедрила для своих двигателей с турбонаддувом чашечный толкатель с изменяемой высотой
подъема клапана (рис. 2.37).
Чашечный толкатель состоит из двух частей — внутреннего 3
и внешнего 2 толкателя. На внутренний толкатель воздействует
маленький кулачок распределительного вала, обеспечивающий ход
клапана 3 мм. На внешний толкатель воздействуют два больших
кулачка распределительного вала, обеспечивающих ход клапана
10 мм. Внутренний толкатель работает в том случае, если запирающий плунжер 1 не соединяет оба толкателя. Если по сигналу блока
управления масло подается к запирающему плунжеру, оба толкателя соединяются в одно целое и начинает работать внешний тол-
82
Глава 2. Механизмы двигателя
3
2
Рис. 2.37. Изменение высоты подъема
клапанного механизма с чашечными
толкателями автомобилей Porsche:
1
4
1 — запирающий плунжер; 2 — внешний
чашечный толкатель; 3 — внутренний чашечный толкатель; 4 — подшипник для
фиксации толкателя от проворачивания;
5 — гидрокомпенсатор
5
катель, обеспечивая больший ход клапана на соответствующем
режиме.
Система с запирающим плунжером, состоящим из двух частей,
применяется фирмой Daimler-Chrysler для отключения цилиндров
серийных 8- и 12-цилиндровых двигателей. Элемент этой системы
без распределительного вала представлен на рис. 2.38.
По сигналу электронного блока управления запирающий плунжер 2 может соединять или разъединять дополнительное коромысло 5 с основным коромыслом 3. Если дополнительное коромысло соединено с основным, распределительный вал, набегая на
ролик 4, воздействует через запирающий плунжер на основное коромысло, и клапан открывается. В случае разъединения запирающим плунжером обоих коромысел распределительный вал не может
2
3
1
Рис. 2.38. Устройство отключения
цилиндров:
1 — гидротолкатель; 2 — запирающий
плунжер; 3 — основное коромысло;
4 — ролик; 5 — дополнительное коромысло; 6 — пружинный элемент
6
5
4
83
2.2. Газораспределительный механизм
воздействовать на основное коромысло, клапан открываться не будет, и, таким образом, цилиндр выключается из работы.
Представителем механического привода является система Val
vetronic, применяемая на автомобилях BMW, которая управляет
подъемом впускных клапанов и дозирует поступающую в цилиндры рабочую смесь, что позволяет повысить экономичность двигателя без потерь мощности при удовлетворении норм Евро-4 и сохранении системы впрыска во впускной коллектор. Общий вид
системы показан на рис. 2.39.
Между распределительным валом 6 и каждой парой впускных
клапанов 8 размещен дополнительный рычаг 5, который крепится
на оси. Электродвигатель 1 через червячную передачу поворачивает эксцентриковый управляющий вал 4 на угол, определяемый
электронной системой управления.
1
2
3
4
5
6
7
8
Рис. 2.39. Система управления подъемом впускных клапанов двигателя
Valvetronic BMW:
1 — электродвигатель; 2 — колесо червячной передачи; 3 — пружина рычага;
4 — эксцентриковый управляющий вал; 5 — дополнительный рычаг с роликовой опорой; 6 — распределительный вал; 7 — коромысло; 8 — клапан
84
Глава 2. Механизмы двигателя
Клапаны открываются непосредственно рычагами 5 с роликовыми опорами при воздействии на коромысла, опирающиеся с од
ной стороны на клапан, а с другой — на гидравлический толкатель.
Рычаги 5 посредством витых пружин 3 прижимаются к кулачку
распределительного вала. Для снижения потерь на трение на осях
рычага с роликовой опорой и коромыслом установлены игольчатые роликовые подшипники.
При повороте эксцентрикового вала эксцентрик, набегая на
рычаг 5, поворачивает его на определенный угол. Перемещая эксцентриковый вал, электродвигатель увеличивает или уменьшает
плечо промежуточного рычага, тем самым удлиняя или укорачивая ход впускных клапанов в соответствии с нагрузкой двигателя.
Поскольку эксцентрик, смещающий ось толкателя, имеет электрический привод, это позволяет задавать угол поворота нелинейным
и программировать его индивидуально для каждого двигателя.
Величина открытия клапана изменяется от 0,20 мм (обеспечивая работу на холостом ходу и уменьшая нагрузку на клапан) до
9,70 мм, необходимых для получения максимальной мощности.
Высота подъема клапанов и, соответственно, продолжительность
фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль
управления подачей топлива, потенциометр которой передает сигнал в блок управления, при этом нет необходимости применять
дроссельную заслонку для изменения количества подаваемого воздуха, хотя она и сохраняется в системе Valvetronic. Заслонка нужна
лишь при диагностике системы, на всех режимах работы двигателя
она всегда полностью открыта.
Площадь, занимаемая установкой механической системы высоты подъема клапана, на головке блока не изменяется, необходимо
лишь дополнительное пространство для установки электродвигателя. Эксцентриковый вал, рычажный механизм, распределительный вал крепятся единым модулем на головке блока.
Выпускные клапаны в приведенной системе, как и в традиционных системах, открываются с помощью распределительного вала
и коромысел. В настоящее время фирмой BMW разработаны системы изменения высоты подъема и для выпускных клапанов.
Проведенные испытания показали, что средний расход топлива двигателем без дроссельной заслонки на холостом ходу на 18 %
ниже, чем обычным двигателем, а в наиболее ходовом диапазоне
2.2. Газораспределительный механизм
85
частоты вращения коленчатого вала при частичных нагрузках —
на 10 %. В последнем случае между клапаном и седлом образуется
зазор всего в 0,5...2 мм и проходящий через него воздух полнее
смешивается с бензином, образуя более качественную смесь.
Подобная система применяется в двигателях EP6 на Peugeot
308 (рис. 2.40), где привычная цепочка впускной распределительный вал — коромысло — клапан была дополнена эксцентриковым
валом 2 и промежуточным рычагом 3. Поворот эксцентрикового
вала 2 осуществляется электроприводом. Шаговый электродвигатель, управляемый компьютером, поворачивая эксцентриковый
вал 2, увеличивает или уменьшает плечо промежуточного рычага 3, задавая необходимую свободу перемещения коромыслу 4,
с одной стороны опирающемуся на гидротолкатель 5, а с другой —
воздействующему на впускной клапан 6. В соответствии с нагрузкой на двигатель варьируется высота подъема клапанов (от 0,2 до
9,5 мм) за счет изменения плеча промежуточного рычага 3.
Для создания разрежения во впускном коллекторе, необходимого для работы усилителя тормозов, специально устанавливается
вакуумный насос.
1
2
3
Рис. 2.40. Система управления
подъемом впускных клапанов
двигателя EP6 автомобиля
Peugeot 308:
4
5
6
7
0,2 мм
9,5 мм
1 — распределительный вал; 2 — эксцентриковый вал; 3 — промежуточный рычаг; 4 — коромысло; 5 — гидротолкатель; 6 — впускной клапан;
7 — размер изменяемой высоты подъема клапана
86
Глава 2. Механизмы двигателя
Электромагнитный привод клапанов. Улучшить наполнение
цилиндров можно без увеличения числа клапанов, удлинения фазы
впуска и повышения подъема клапана, применяя электромагнитный привод клапана EVA (Electromagnetic Valve Actuator). Такие
системы в настоящее время интенсивно разрабатываются как в Европе, так и в США.
Электромагнитный привод клапанов представляет собой подпружиненный клапан, помещенный между двумя электромагнитами, которые удерживают его в крайних положениях: закрытом или
полностью открытом. Специальный датчик выдает блоку управления информацию о текущем положении клапана. Это необходимо
для того, чтобы снизить его скорость в момент посадки в седло до
минимальной.
Принцип работы системы показан на рис. 2.41. Как видно из
схемы, в системе управления клапанами полностью отсутствует
кулачковый вал со своим приводом, который заменен электромагнитами на каждый клапан.
Якорь электромагнита образует ком4
бинацию с двумя пружинами для открытия и закрытия клапана. Когда к электро1
магнитам не подводится электрический
2
ток, пружины клапана и электромагнита
держат клапан в среднем положении, со3
ответствующем половине хода клапана,
при этом он полуоткрыт, что позволяет
4
легко прокручивать коленчатый вал двигателя в начальной стадии пуска. При достижении необходимой частоты вращения
из блока управления поступает сигнал,
в верхний электромагнит открытия клапана подается электрический ток, и клапан закрывается. Одновременно происхоРис. 2.41. Электромагдит впрыск топлива.
нитный привод клапана:
При открытии клапана прерывается 1 — электромагнит открыподача напряжения в верхний электро- тия клапана; 2 — якорь;
3 — электромагнит закрымагнит (рис. 2.42).
Энергия, накопленная в верхней пру- тия клапана; 4 — клапанная пружина
жине, движет клапан вниз до тех пор, пока
87
2.2. Газораспределительный механизм
Сила тока верхнего
электромагнита
0
Клапан
закрыт
Ход клапана
Клапан
открыт
Сила тока нижнего
электромагнита
0
Время
Рис. 2.42. Изменение силы тока в электромагнитах
она полностью не израсходуется. Для возможности дальнейшего
перемещения клапана вниз напряжение подается в нижний электромагнит, и якорь, втягиваясь под действием магнитного поля,
открывает клапан. При этом с учетом потерь энергии пружины
в конце ее движения в нижний электромагнит кратковременно подается ток повышенной силы до тех пор, пока клапан полностью
не откроется.
Информация для блока управления поступает от датчика, расположенного на коленчатом валу и фиксирующего его угловое положение. Для каждого клапана компьютер определяет начало открытия и закрытия, а значит, и ход в зависимости от положения
коленчатого вала. Ход клапана может изменяться от нулевой величины до максимальной, что обусловлено режимом работы двигателя.
Система EVA разработана так, чтобы почти вся энергия, необходимая для перемещения клапана, находилась в пружинах. Единственным требованием, предъявляемым к электрической системе,
является компенсация энергии демпфирования пружин и потерь
на трение в направляющей клапана. Величина этого трения низкая,
88
Глава 2. Механизмы двигателя
так как нет боковых сил, действующих на клапан. Электроэнергия
необходима лишь для того, чтобы использовать ее в непосредственной близости от той точки, где полностью израсходована накопленная энергия пружины. Здесь КПД электромагнита должен
быть наибольшим, поэтому между якорем и электромагнитом
устанавливают минимальный зазор.
Привод EVA осуществляет движение клапана за 2,42 мс и потребляет при этом 66 Вт на каждый клапан при частоте вращения
6000 мин−1.
Открытие и закрытие клапана производится в пределах долей
градуса поворота коленчатого вала. Такая точность нужна при отсутствии дросселирования воздушного заряда на впуске.
Фирма Renault предлагает несколько иную систему: клапаны
перемещаются между двумя пружинами с соленоидами (рис. 2.43),
которые обеспечивают необходимое время открытия клапанов, но
потребляют столько электричества, сколько требуется для преодоления собственных механических потерь. В предлагаемой системе
нет распределительного вала и его привода. Экономия электрической энергии достигается за счет того, что при работе системы она
расходуется только в момент открытия клапана, а закрывается
клапан пружиной. Управляет системой электронная система управления. Мощность, необходимая для работы системы на холостом
ходу и при малых нагрузках, составляет всего 300 Вт.
С помощью такой системы можно не только четко управлять
временем открытия каждого клапана, но и обеспечивать получение
Рис. 2.43. Электромагнитный привод клапанов
фирмы Renault
2.2. Газораспределительный механизм
89
максимальной мощности или максимального крутящего момента
(или очень малой и экономичной частоты вращения коленчатого
вала на холостом ходу). Система электромагнитного привода клапанов имеет и другие преимущества. Например, можно полностью
отключать часть цилиндров или переводить их на малую нагрузку,
при этом остальные будут работать более эффективно. Однако
главное ее преимущество заключается в том, что время и степень
открытия клапанов на любом режиме могут быть оптимальными
для работы двигателя в зависимости от условий движения. Кроме
того, конструкция самого двигателя проще, потому что отсутствует обычный привод газораспределительного механизма: цепи, зубчатые ремни, механизм натяжения, шестерни и распределительные
валы. При этом значительно упрощается конструкция головки
блока цилиндров и исчезает потребность в подаче к ней смазочного масла. В связи с отсутствием дросселирования воздушного заряда во впускном коллекторе упрощается и его конструкция. В целом это приводит и к уменьшению размеров двигателя. В головке
блока цилиндров исчезают обрабатываемые многочисленные гнезда и установочные поверхности. Все это снижает ее массу на 30 %.
Единственной и главной проблемой применения электромагнитного привода является обеспечение исполнительных устройств
достаточной энергией и их большие размеры. Мощность генератора
при электромеханическом приводе клапанов по сравнению с мощностью его при обычном приводе клапанов должна быть повышена
на 80 %. Соленоиды должны открывать клапаны с той же скоростью, что и кулачки распределительного вала, а в этом случае они
получаются большими и тяжелыми. В действительности они будут
такими, если их питать от 12-вольтовой электрической системы.
Однако в настоящее время ожидается переход легковых автомобилей на напряжение бортовой сети 36 В с генератором, обеспечивающим напряжение 42 В (современные генераторы выдают 14 В,
снабжая систему напряжением 12 В). При увеличении напряжения в три раза электрический ток, необходимый для питания
устройств управления клапанами, становится намного меньше,
и размер соленоидов уменьшается таким образом, что устройство
может занимать не больше места, чем обычный механизм с двумя
распределительными валами в головке и клапанными пружинами.
90
Глава 2. Механизмы двигателя
Гидравлический привод клапанов. Электромагнитный привод
клапанов требует больших затрат электроэнергии на их открытие,
поэтому немецкие производители двигателей предлагают открывать клапаны с помощью гидравлики, а управлять гидравликой
с помощью электроэнергии. В отличие от других типов открытия
клапанов электрогидравлический привод клапанов позволяет отказаться не только от распределительного вала и дроссельной заслонки, но и от клапанных пружин. При использовании его наряду
с простым открытием-закрытием клапанов и ходом клапана можно
изменять фазы газораспределения и их работу независимо для
каждого цилиндра, снижая тем самым расход топлива и выброс
токсичных веществ в отработавших газах, и повысить мощность
двигателя.
Общая схема электрогидравлического привода клапанов показана на рис. 2.44.
Каждый блок электрогидравлического подъема клапана содержит на каждый клапан механизма газораспределения: электромагнитный клапан 10 на линии высокого давления, обесточенный
в закрытом положении; электромагнитный клапан 7 на линии низкого давления, обесточенный в открытом положении; регулятор
подъема клапана 6; двухступенчатый регулируемый привод поршня 12 для открытия клапана; гидравлический компенсатор линейного расширения.
Принцип действия системы следующий. Насос высокого давления создает давление масла в системе до 200 кгс/см2. Электромагнитный редукционный клапан 3 регулирует давление в линии
высокого давления в пределах 50...200 кгс/см2 по сигналу блока
управления в зависимости от частоты вращения коленчатого вала,
нагрузки, температуры и т.д. Этот клапан регулирует переменный
ход высоты подъема клапана одновременно для всех клапанов сразу. Если на электромагнитный клапан 10 подается напряжение, он
открывается, и масло из линии высокого давления поступает в цилиндр сверху поршня. Электромагнитный клапан на линии низкого
давления 7 в это время закрыт, так как на него не подается напряжение. Поршень, воздействуя на клапан механизма газораспределения, перемещает его вниз, и клапан открывается. В зависимости
от режима работы двигателя срабатывает регулятор подъема клапана 6, изменяя скорость посадки всех клапанов одновременно.
91
2.2. Газораспределительный механизм
5
6
4
3
7
10
11
8
12
2
1
9
Рис. 2.44. Схема электрогидравлического привода клапанов:
1 — насос высокого давления; 2 — линия высокого давления (50...200 кгс/см2);
3 — клапан регулировки высокого давления; 4 — линия управляющего давления (5...20 кгс/см2); 5 — блок электрогидравлического подъема клапана; 6 —
регулятор подъема клапана; 7 — электромагнитный клапан на линии низкого
давления; 8 — линия низкого давления (менее 5 кгс/см2); 9 — клапан механизма газораспределения; 10 — электромагнитный клапан на линии высокого
давления; 11 — цилиндр; 12 — поршень
Изменение фаз газораспределения клапанов происходит при изменении времени подачи напряжения на электромагнитный клапан 10 на линии высокого давления.
При обесточивании электромагнитного клапана 10 масло из
линии высокого давления поступает в цилиндр снизу поршня.
Поршень, воздействуя на клапан механизма газораспределения,
перемещает его вверх, и клапан закрывается. Масло из пространства над поршнем подается на линию низкого давления и затем
снова к насосу.
92
Глава 2. Механизмы двигателя
Чтобы увеличить силу открытия клапана и одновременно снизить потребление энергии при большом ходе открытия клапана,
применяются поршни, состоящие из двух частей.
Электрогидравлический привод клапанов связан с системой
циркуляции масла двигателя. Общими с системой смазки двигателя являются поддон картера двигателя, масляный насос для подачи масла в систему смазки двигателя и к насосу высокого давления привода клапанов, фильтр очистки масла и магистраль слива
масла из головки блока. При длительной эксплуатации к качеству
и вязкостным характеристикам используемого масла, единого для
общей системы смазки и привода клапанов, предъявляются высокие требования. Поэтому в систему смазки должно заливаться
масло типа 0W40. Для определения вязкости при эксплуатации
двигателя предусмотрен специальный датчик, посылающий сигнал о потере вязкости.
Блоки электрогидравлического подъема клапана могут устанавливаться и монтироваться независимо друг от друга. Выполненная с большой точностью плоская поверхность блока позволяет
обеспечивать необходимую гидравлическую плотность соединения
блока с корпусом двигателя.
Более простое решение гидравлического привода клапанов предлагает фирма Fiat (рис. 2.45). Впускной клапан здесь открывается
5
6
7
4
3
2
1
Рис. 2.45. Электрогидравлический привод впускных
клапанов фирмы Fiat:
1 — впускной клапан; 2 — поршень; 3 — распределительный
вал; 4 — плунжерный толкатель; 5 — масляная камера цилиндра плунжерного толкателя; 6 — электромагнитный клапан; 7 — масляный резервуар
2.3. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя
93
с помощью распределительного вала и гидравлического передающего механизма.
При вращении распределительного вала 3 кулачок набегает на
плунжерный толкатель 4, создавая давление масла в цилиндре толкателя, которое затем передается на поршень 2, воздействующий
на впускной клапан. Давление в цилиндре толкателя может меняться
в зависимости от степени открытия электромагнитного клапана 6,
управляющего золотником. Этим регулируется ход клапана, и изменение режима работы двигателя может осуществляться без дроссельной заслонки.
Масло через сообщающийся канал может передаваться в небольшой масляный резервуар 7. Электромагнитный клапан 6 рассчитан на экстремально быстрое включение.
2.3. Подача дополнительного воздуха
в цилиндры двигателя
2.3.1. Турбонаддув
Мощность, развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано
в двигатель. Если нужно повысить мощность двигателя, следует
увеличить количество как подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не даст эффекта до тех пор,
пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приведет к перегреву двигателя и повышенной токсичности отработавших газов.
Повысить мощность двигателя можно путем увеличения либо
его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала.
Увеличение рабочего объема повышает массу, размеры двигателя
и его стоимость. Увеличение частоты вращения коленчатого вала
проблематично из-за возникающих при этом технических трудностей, особенно для двигателей с большим рабочим объемом.
Технически приемлемым решением проблемы повышения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздух сжимается перед его впу-
94
Глава 2. Механизмы двигателя
а
б
1
в
1
4
1
2
3
2
3
4
3
1
Рис. 2.46. Системы наддува двигателей:
а — с механическим приводом; б — турбонаддув; в — комбинированная система; 1 — нагнетательное колесо; 2 — привод компрессора; 3 — коленчатый
вал; 4 — приводное колесо
ском в камеру сгорания. Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для
полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при
прежнем рабочем объеме и той же частоте вращения коленчатого
вала мы получаем большую мощность.
Существуют две основные системы наддува: с механическим
приводом (рис. 2.46, а) и турбонаддув (рис. 2.46, б) (использующие энергию отработавших газов), а также комбинированные системы, например турбокомпаундная (рис. 2.46, в).
При использовании компрессора с механическим приводом
необходимое давление воздуха создается благодаря механической
связи между коленчатым валом двигателя и нагнетательным колесом или компрессором. В турбокомпрессоре давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.
Турбокомпрессор включает две турбины, состоящие из нагнетательного 2 и приводного 9 колеса, связанных между собой при
помощи вала (рис. 2.47). Вал установлен на двух опорах 11 и 12,
на которые постоянно подается масло, охлаждающее и смазывающее опоры.
Обе турбины вращаются в одном направлении и с одинаковой
скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие
газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются
95
2.3. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя
5
4
3
B
1
6
7
K
С
С
H
8
E
А
2
1
J
K
12
11
D
10
9
Рис. 2.47. Турбокомпрессор:
1 — трубопровод для подачи сжатого воздуха от турбины к диафрагме; 2 —
нагнетательное колесо турбины; 3 — корпус нагнетательного колеса; 4 — промежуточный корпус; 5 — сбрасывающий клапан; 6 — диафрагма; 7 — пружина;
8 — диафрагменная камера; 9 — приводное колесо; 10 — корпус турбонагнетателя; 11, 12 — опоры; А — подача воздуха от воздушного фильтра; B — подача воздуха к впускным клапанам; C — обводной канал сбрасывающего клапана для ограничения давления нагнетания; D — подача отработавших газов от
двигателя; E — подача отработавших газов к выпускной системе; H — подача
смазки; J — отвод смазки; K — подача сжатого воздуха для открытия сбрасывающего клапана
до большой скорости (около 10 000 об/мин), вступают в контакт
с лопатками приводного колеса 9 и преобразуют их кинетическую
энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).
С такой же скоростью вращается и нагнетательное колесо 2 турбины, которое подает сжатый воздух к двигателю. Нагнетательное
колесо 2 выполнено таким образом, что уже при небольшом потоке
отработавших газов обеспечивается достаточное давление нагнетаемого воздуха. В режиме полной нагрузки двигателя при частоте
вращения коленчатого вала около 2000 об/мин достигается максимальное избыточное давление (1,1...1,6 кгс/см2), которое остается
96
Глава 2. Механизмы двигателя
постоянным при дальнейшем наборе частоты вращения вплоть
до максимальной.
Между двигателем и турбокомпрессором существует связь
только через поток отработавших газов. Частота вращения турбин
напрямую не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е. сначала
увеличиваются подача топлива, энергия потока отработавших газов,
а затем уже повышаются частота вращения турбины и давление
нагнетания, в цилиндры двигателя поступает еще больше воздуха,
что дает возможность увеличить подачу топлива. Этим объясняется
повышенная дымность отработавших газов дизельных двигателей.
Для предотвращения повышения давления больше необходимого при высоких частотах вращения предусмотрено специальное
устройство, состоящее из сбрасывающего клапана 5 и диафрагмы 6
с пружиной. Полость перед диафрагмой связана с давлением потока входящего воздуха через трубопровод 1. При увеличении давления с ростом частоты вращения коленчатого вала диафрагма
прогибается, сжимая пружины, и сбрасывающий клапан открывается. Отработавшие газы при этом проходят через дополнительный обводной канал С, что уменьшает частоту вращения привод
ного колеса турбины, а значит, и нагнетательного колеса. Давление
наддува при этом становится постоянным.
Для двигателей, работающих в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала (к примеру, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких частотах. Именно
поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению
инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется и давление
воздуха очень быстро достигает необходимого значения.
Для удовлетворения постоянно возрастающих требований к расходу топлива, токсичности отработавших газов и уровню шума
разрабатываются электронные системы управления наддувом, одна
из которых представлена на рис. 2.48.
На первом этапе на основании определенного числа параметров, таких как температура охлаждающей жидкости, масла, впускаемого воздуха и отработавших газов, анализируется состояние
двигателя. Измеряются также частота вращения коленчатого вала,
97
2.3. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя
1
2
3
4
5
6
7
Анализ
состояния
двигателя
Расчет
оптимального
давления
турбонаддува
–
8
2я фаза
1я фаза
9
Регуля
тор
10
14
15
11
13
12
Рис. 2.48. Электронное управление турбонаддувом:
1 — информация о температуре всасываемого сжатого воздуха; 2 — информация о режиме работы двигателя; 3 — информация о температуре охлаждающей
жидкости; 4 — информация о давлении во впускном трубопроводе; 5 — информация от датчика детонации; 6 — датчик детонации; 7 — двигатель; 8 — воздух,
находящийся под давлением; 9 — заслонка моторного тормоза; 10 — электромагнитный клапан; 11 — воздушный фильтр; 12 — нагнетательное колесо; 13 —
приводное колесо; 14 — сбрасывающий клапан; 15 — электронный блок управления
положение педали акселератора и другие параметры. Все эти данные анализируются электронным блоком управления и используются для определения идеального в данных условиях давления
наддува для двигателя.
На втором этапе это значение давления передается на исполнительные устройства, которые регулируют давление во впускной
системе. При определении давления учитываются также критические условия работы двигателя, в частности детонация. Акустические датчики позволяют распознать самовоспламенение, насколько
98
Глава 2. Механизмы двигателя
малым бы оно ни было. Давление наддува в этом случае понижается. Эта операция повторяется до тех пор, пока детонация не исчезнет. Когда детонация прекращается, давление наддува снова
возрастает до первоначального значения. Электронный блок управления также определяет идеальное давление наддува в случае повторяющейся детонации, возникающей, например, из-за использования низкокачественного топлива.
Электромагнитный клапан 10 получает электрический сигнал,
который определяет время его открытия, и работает соответственно
как регулятор давления наддува.
Таким образом, на мембрану сбрасывающего клапана 14 воздействует не все давление наддува, а только его большая или меньшая
часть, которая зависит от положения электромагнитного клапана.
При нажатой педали акселератора электронный блок управления подает команду на закрытие клапана и все отработавшие газы
направляются в турбину, давление наддува возрастает и двигатель
развивает значительную мощность, что делает возможным резкое
ускорение автомобиля. Как только желаемая скорость движения
достигнута, сбрасывающий клапан открывается и давление наддува становится обычным.
Для дизельных двигателей применяется нагнетатель с изменяемой геометрией турбины, позволяющий ограничивать поток
отработавших газов через турбину при высокой частоте вращения
коленчатого вала двигателя (рис. 2.49).
Подвижные направляющие лопатки 3 соплового аппарата изменяют поперечное сечение каналов, через которые отработавшие
газы устремляются на крыльчатку турбины. Этим они согласовывают возникающее в турбине давление газа с требуемым давлением наддува.
При низкой нагрузке на двигатель подвижные лопатки открывают небольшое поперечное сечение каналов так, что увеличивается противодавление отработавших газов. Поток газов развивает
в турбине высокую скорость, обеспечивая высокую частоту вращения вала нагнетателя (рис. 2.49, а). При этом поток отработавших
газов действует на более удаленную от оси вала область лопаток
крыльчатки турбины. Таким образом, возникает большее плечо
силы, которое дополнительно увеличивает крутящий момент.
При высокой нагрузке направляющие лопатки открывают большее поперечное сечение каналов, что уменьшает скорость течения
2.3. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя
99
а
1 2
3
4
5
6
б
Рис. 2.49. Турбонагнетатель
с изменяющейся геометрией турбины:
а — положение направляющих лопаток при
высокой скорости потока отработавших газов; б — положение направляющих лопаток
при низкой скорости потока отработавших
газов; 1 — крыльчатка турбины; 2 — управляющее кольцо; 3 — подвижные направляющие лопатки соплового аппарата; 4 —
управляющий рычаг; 5 — управляющий
пневматический цилиндр; 6 — поток отработавших газов
потока отработавших газов (рис. 2.49, б). Вследствие этого турбонагнетатель при равном количестве отработавших газов меньше
ускоряется и работает с меньшей частотой при большем количестве газов. Этим способом ограничивается давление наддува. Поворотом управляющего кольца 2 изменяется угол направления
лопаток, которые устанавливаются на желаемый угол либо непосредственно отдельным управляющим рычагом 4, укрепленным на
лопатках, либо поворотными кулачками. Кольцо поворачивается
при помощи управляющего пневматического цилиндра 5 под действием разрежения или давления воздуха либо, как вариант, при
помощи электродвигателя с обратной связью по положению лопаток (датчик положения). Нагнетатель с изменяемой геометрией
в положении покоя открыт и поэтому безопасен, т.е. при отказе
управления ни он сам, ни двигатель не повреждаются, теряется
лишь производительность на низких частотах вращения коленчатого вала.
В двигателях легковых автомобилей может применяться и комбинированная (турбокомпаундная) система с двойным нагнета-
100
Глава 2. Механизмы двигателя
нием с помощью турбокомпрессора и механического компрессора
(рис. 2.50), например в дизельных двигателях 1,4 л TSI Volkswagen.
В зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого
вала блок управления двигателя рассчитывает количество воздуха,
необходимое для данного конкретного режима работы двигателя.
При этом блок управления определяет необходимость включения
только турбонагнетателя или дополнительно должен быть подключен компрессор.
При малых нагрузках в безнаддувном режиме регулирующая
заслонка 5 полностью открыта и поступающий свежий воздух попа4
5
7
6
8
3
9
10
11
12
2
13
1
14
21
15
17
20
19
16
18
Рис. 2.50. Система наддува с двойным нагнетанием:
1 — ременный привод дополнительных агрегатов; 2 — магнитная муфта; 3 —
датчик давления во впускном коллекторе (компрессор) с датчиком температуры всасываемого воздуха; 4 — ременный привод компрессора; 5 — регулирующая заслонка блока управления; 6 — роторный механический компрессор;
7 — датчик давления во впускном коллекторе (турбокомпрессор) с датчиком
температуры всасываемого воздуха; 8 — подача воздуха; 9 — воздушный фильтр;
10 — впускной коллектор; 11 — дроссельная заслонка блока управления; 12 —
датчик давления наддува с датчиком температуры всасываемого воздуха; 13 —
интеркулер; 14 — магнитный клапан ограничения давления наддува; 15 — катализатор; 16 — отработавшие газы; 17 — диафрагменная камера; 18 — клапан
управления перепуском отработавших газов; 19 — турбонагнетатель; 20 — клапан рециркуляции турбонагнетателя; 21 — выпускной тракт
2.3. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя
101
дает к турбонагнетателю. Учитывая небольшую частоту вращения
коленчатого вала двигателя, турбины турбонагнетателя вращаются медленно и давление наддува небольшое. Механический компрессор на этом режиме не включается. Дроссельная заслонка 11
открывается на небольшую величину и во впускном коллекторе
создается разрежение.
При достижении частоты вращения коленчатого вала 2400 об/мин
регулирующая заслонка 5 закрыта или слегка приоткрыта для регулировки давления наддува. В этом режиме механический компрессор 6 подключается через магнитную муфту и приводится
в действие ременным приводом. Сжатый свежий воздух подается
компрессором к турбонагнетателю 19. Здесь воздух сжимается дополнительно. Давление наддува компрессора замеряется датчиком
давления 3 во впускном коллекторе и изменяется при необходимости блоком управления регулирующей заслонкой 5. Общее давление наддува замеряется датчиком давления наддува 12. Дроссельная заслонка 11 полностью открыта. Во впускном коллекторе
создается давление до 2,5 кгс/см2.
В диапазоне частоты вращения коленчатого вала от 2400 до
3500 об/мин при постоянной скорости движения давление наддува
создается только турбонагнетателем. В случае быстрого ускорения
частоты вращения коленчатого вала турбонагнетатель в обычных
системах наддува без дополнительного компрессора срабатывает
с большим опозданием и не может вовремя создать необходимое
давление (турбояма). Во избежание этого в системе с двойным нагнетанием блок управления двигателя кратковременно подключает компрессор и изменяет положение регулирующей заслонки 5
в соответствии с требуемым давлением наддува, помогая турбонагнетателю в создании нужного давления наддува.
При частоте оборотов свыше 3500 об/мин турбонагнетатель
может создавать необходимое давление наддува в любой точке нагрузки без помощи компрессора. Регулирующая заслонка 5 полностью открыта, и свежий воздух поступает непосредственно к турбонагнетателю. Энергии отработавших газов при такой частоте
вращения коленчатого вала будет достаточно, чтобы с помощью
турбонагнетателя обеспечить нужное давление наддува. Дроссельная заслонка открыта полностью. Во впускном коллекторе создается давление до 2,0 кгс/см2. Давление наддува от турбонагнетателя
102
Глава 2. Механизмы двигателя
замеряется с помощью датчика давления наддува 12 и регулируется
клапаном ограничения давления наддува 14.
Вариантом системы наддува для двигателей легковых автомобилей является волновой нагнетатель воздуха (рис. 2.51), известный также под названием Comprex. Приводимый от двигателя через зубчатый ремень 2, разделенный на секции ротор 7 вращается
в цилиндрическом корпусе, имеющем с торцов щелевые окна для
прохода свежего воздуха и выхода отработавших газов. Система
окон и полостей выполнена особым образом, что позволяет преобразовывать волны давления потока 5 отработавших газов в повышенное давление потока 1 свежего воздуха.
Существенным достоинством волнового нагнетателя является
непосредственный газодинамический энергообмен между отрабо-
4
5
1
6
7
2
8
3
Рис. 2.51. Волновой нагнетатель:
1 — поток свежего воздуха под высоким давлением; 2 — зубчатый ремень;
3 — поток свежего воздуха под низким давлением; 4 — поршень двигателя;
5 — поток отработавших газов под высоким давлением; 6 — поток отработавших газов под низким давлением; 7 — ротор; 8 — щелевые окна
2.3. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя
103
тавшими газами и свежим воздухом без участия каких-либо промежуточных механизмов. Такой энергообмен происходит со звуковой
и сверхзвуковой скоростью. Волновой обменник, как и механический нагнетатель, на изменения нагрузки автоматически реагирует изменением давления наддува. При постоянном передаточном
отношении между двигателем и волновым нагнетателем энергообмен оптимален только для одного рабочего режима. Для устранения этого недостатка на торцах корпуса имеется ряд воздушных
«карманов» разной формы и размера, благодаря которым диапазон
оптимальной работы нагнетателя расширяется. Кроме того, это
позволяет достичь благоприятного протекания крутящего момента,
что невозможно осуществить с помощью других методов наддува.
Волновой нагнетатель, по сравнению с другими системами наддува, требует много места для ременной передачи и системы трубопроводов. Это усложняет возможность его установки в условиях
ограниченного объема подкапотного пространства автомобиля.
2.3.2. Охлаждение наддувочного воздуха (интеркулляция)
Воздух, сжатый турбокомпрессором, как и другие газы, нагревается и расширяется. Горячий воздух обладает меньшей плотностью и содержит значительно меньше кислорода, чем холодный.
Плотность холодного воздуха увеличивается приблизительно на
10...15 %. Большее количество кислорода означает большее количество сгоревшего топлива, т.е. двигатель развивает большую мощность. Другой, но не менее важный эффект — это положительное
влияние снижения температуры воздушного заряда на процесс
сгорания вследствие уменьшения детонации. Подача в двигатель
более холодного воздуха заметно снижает температурную нагрузку, что благоприятно влияет на надежность и долговечность двигателя. По этим причинам для повышения мощности двигателя
перед подачей воздуха в цилиндры его следует охлаждать.
Интеркуллер — это радиатор или, правильнее, охладитель, помещенный между компрессором и впускным коллектором (рис. 2.52).
Наиболее часто применяются охладители типа воздух/воздух
и системы, которые используют для охлаждения воздуха охлаждающую жидкость (охлаждающая жидкость/воздух). Интеркуллеры типа воздух/воздух наиболее распространены в силу простоты
104
Глава 2. Механизмы двигателя
3
4
5
Рис. 2.52. Охлаждение
воздуха при наддуве:
2
1
6
1 — приводное колесо; 2 — поток отработавших газов; 3 —
камера сгорания; 4 — поток
сжатого охлажденного воздуха; 5 — охладитель; 6 — нагнетательное колесо
и надежности, поскольку они не имеют движущихся частей. Такой
интеркуллер состоит из трубы и радиатора и изготавливается преимущественно из алюминия. Эффективность работы интеркуллера
зависит от его объема, а значит, от наличия свободного пространства для установки. Теплопередающая способность достаточна, но
потери давления могут быть высокими, особенно при малых размерах.
Данная потеря давления на интеркуллере обнаруживается как
увеличение более чем вдвое давления в выпускном коллекторе —
одного из главных врагов турбонаддува.
Интеркуллер воздух/охлаждающая жидкость сложнее. Например, в двигателе Audi V6 TFSI с объемом 3,0 л для охлаждения воздуха используется дополнительный радиатор 1 охлаждения наддувочного воздуха (рис. 2.53).
Контур охлаждения наддувочного воздуха работает независимо от главного контура охлаждения. Оба контура охлаждения соединены между собой и имеют общий расширительный бачок. Как
правило, температура в контуре охлаждения наддувочного воздуха
ниже температуры в главном контуре охлаждения. Циркуляция
охлаждающей жидкости осуществляется электрическим насосом
охлаждения наддувочного воздуха. Насос подает подогретую охлаждающую жидкость от расположенных в модуле наддува охладителей 2 наддувочного воздуха к радиатору 1.
2.3. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя
105
2
Рис. 2.53. Контур системы
охлаждения наддувочного
воздуха:
3
1 — радиатор охлаждения наддувочного воздуха; 2 — модуль наддува
охладителей; 3 — насос охлаждения
наддувочного воздуха
1
Управление температурой охлаждающей жидкости (частота
вращения вала насоса) осуществляется по сигналам ЭБУ на основании температуры и давления наддувочного воздуха после охладителя.
Выбор типа интеркуллера зависит от свободного пространства,
возможности обдува воздухом интеркуллера, используемых датчиков расхода воздуха. Например, для шестицилиндрового BMW
используется интеркуллер на основе охлаждающей жидкости, так
как для интеркуллера воздух/воздух соответствующих размеров
нет места. Кроме того, отсутствует поток воздуха с высокой скоростью в местах, где можно было бы разместить интеркуллер. С другой стороны, в Ford Mustang GT ситуация для установки интеркуллера воздух/воздух идеальная. Пространства достаточно для
действительно огромного интеркуллера, и он в зоне мощного воздушного потока.
В настоящее время ведутся также разработки по применению
распыленной воды в системе впуска. Теплота, поглощенная при
испарении воды, обладает сильным эффектом охлаждения горячего сжатого воздуха, выходящего из турбины. Понижение температуры наддувного воздуха снижает тенденцию к детонации.
Существуют также специальные конструкции, в которых воздух охлаждается до температуры ниже окружающей среды за счет
использования льда.
106
Глава 2. Механизмы двигателя
2.4. Безнаддувные способы подачи
дополнительного воздуха
2.4.1. Резонансные впускные трубопроводы
Для того чтобы обеспечить увеличение крутящего момента без
значительного повышения частоты вращения коленчатого вала,
отдельные производители двигателей, например BMW, применяют
резонансные впускные трубопроводы 1 (рис. 2.54). В главном коллекторе 3 такого трубопровода основной поток впускаемого воздуха разделяется на две тройные группы. Обе группы впускного
трубопровода соединяются между собой резонансным трубопроводом 1 для обеспечения необходимой частоты резонансных колебаний и предназначены каждая для отдельной области частоты
вращения коленчатого вала. В резонансном трубопроводе установлена дроссельная заслонка 7, открывающаяся по сигналу блока
управления и служащая для изменения потоков всасываемого воздуха на средней частоте вращения коленчатого вала.
При низкой частоте вращения коленчатого вала (рис. 2.55, а)
оба управляющих клапана закрыты, низкочастотные колебания
присутствуют в обеих тройных группах. При средней частоте вращения коленчатого вала открыт клапан переходного трубопровода
(рис. 2.55, б). Обе половины впускного трубопровода при этом образуют колебательную систему, способствующую созданию эффекта дополнительной подачи воздуха в цилиндры. При частоте
вращения коленчатого вала около 4500 об/мин оба управляющих
клапана открываются (рис. 2.55, в), чем создается эффект дополнительной подачи воздуха благодаря отражению волн всасываемого
2
3
Рис. 2.54. Впускной трубопровод
двигателя BMW 3ер:
7
1 — резонансный трубопровод; 2 — переходной трубопровод; 3 — коллектор; 4 — трубопроводы; 5 — управляющий клапан коллектора; 6 — управляющий клапан переходного
трубопровода; 7 — дроссельная заслонка
6
1
5
4
2.4. Безнаддувные способы подачи дополнительного воздуха
а
б
107
в
Рис. 2.55. Движение потоков воздуха по трубопроводу при низкой (а),
средней (б) и высокой (в) частоте вращения коленчатого вала двигателя
воздуха в цилиндры всех шести трубопроводов при номинальной
частоте вращения коленчатого вала. Этот эффект сохраняется до
частоты вращения коленчатого вала 7000 об/мин.
2.4.2. Впускной коллектор переменной геометрии
Применяя разную длину впускного трубопровода, можно получить максимальную мощность и максимальный крутящий момент.
В системах непосредственного впрыска (FSI) во впускном трубопроводе может монтироваться специальный блок заслонок, перекрывающих один из двух впускных каналов в головке блока
каждого цилиндра. Впускные каналы имеют неодинаковую форму:
один — прямой 2, другой — винтовой 3 (рис. 2.56).
Переключение впускных трубопроводов для повышения максимального крутящего момента или максимальной мощности производится посредством поворотного золотника 1 с вакуумным приа
1
б
2
3
Рис. 2.56. Впускные трубопроводы автомобилей Volkswagen:
а — положение золотника, соответствующее максимальной мощности; б —
положение золотника, соответствующее максимальному крутящему моменту
108
Глава 2. Механизмы двигателя
водом. Момент переключения определяется электронной системой
по многопараметровой характеристике с учетом нагрузки двигателя,
частоты вращения коленчатого вала и температуры охлаждающей
жидкости. Для повышения максимальной мощности золотник открывается, при этом воздух поступает в двигатель одновременно
через короткие и длинные трубопроводы. Для повышения максимального крутящего момента золотник закрывается, и воздух поступает в двигатель только через длинные трубопроводы.
а
3
5
4
2
7
1
6
8
б
3
2
4
7
1
в
2
5
6
8
3
4
5
7
1
8
6
Рис. 2.57. Изменение длины впускного коллектора в зависимости
от частоты вращения коленчатого вала автомобиля Skoda Octavia:
а — положение заслонок при частоте вращения коленчатого вала от 780 до
4000 об/мин; б — положение заслонок при частоте вращения коленчатого вала
от 4000 до 4800 об/мин; в — положение заслонок при частоте вращения коленчатого вала свыше 4800 об/мин; 1 — вакуумная камера привода второй
заслонки; 2 — вторая заслонка; 3 — второй коллектор; 4 — первая заслонка
первого впускного коллектора; 5 — первый коллектор; 6 — воздух, поступающий в корпус дроссельной заслонки; 7 — вакуумная камера привода первой
заслонки; 8 — воздух, поступающий в канал в головке блока цилиндров
2.5. Роторный двигатель Вигриянова
109
Воздушный поток в обеих системах сначала разгоняется в длинном вертикальном канале впускного тракта, затем падает вниз на
днище поршня, имеющее сложный профиль, и, отражаясь от него,
сильно завихряется.
Подобная система изменяемой длины трубопровода применяется и в автомобилях с бензиновыми двигателями рабочим объемом 2,0 л и мощностью 85 кВт автомобилей Skoda Octavia.
Количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, может изменяться за счет открытия или закрытия заслонок (рис. 2.57). Заслонки
приводятся в действие вакуумными камерами привода и управляются электромагнитными клапанами.
Чтобы повысить максимальный крутящий момент, заслонки
впускного коллектора с переменной геометрией закрыты, и воздух
в цилиндры двигателя поступает только по одному длинному трубопроводу (рис. 2.57, а). Благодаря этому в диапазоне частоты вращения коленчатого двигателя от 780 до 4000 об/мин крутящий
момент увеличивается.
Для достижения оптимальной мощности при высокой частоте
вращения коленчатого вала от 4000 до 4800 об/мин воздух поступает в цилиндры дополнительно через канал первого коллектора,
так как на заполнение цилиндров отводится меньше времени
(рис. 2.57, б). В этом случае открывается первая заслонка первого
впускного коллектора. При увеличении частоты вращения коленчатого вала свыше 4800 об/мин открывается вторая заслонка впускного коллектора (рис. 2.57, в).
2.5. Роторный двигатель Вигриянова
Роторный двигатель Вигриянова, названный по фамилии изобретателя, предполагается устанавливать на российский гибридный автомобиль, получивший название Ё-мобиль.
Особенностью двигателя является использование вращающегося сложносоставного ротора, который размещен внутри цилиндра
(рис. 2.58). Ротор состоит из двух соосных валов, на которых установлено по паре лопастей, которые разделяют цилиндр на 4 рабочие камеры.
110
Глава 2. Механизмы двигателя
Рис. 2.58. Общий вид
роторного двигателя
Вигриянова
Четыре рабочие камеры соответствуют тактам работы четырехтактного двигателя. На схеме, представленной на рис. 2.58, лопасти
движутся против часовой стрелки неравномерно — то ускоряясь,
то замедляясь.
При вращении ротора объем 1 увеличивается, обеспечивая всасывание рабочей смеси через впускное отверстие (такт впуска)
(рис. 2.59).
В объеме 2 происходит сжатие рабочей смеси за счет сближения
лопастей (такт сжатия). Когда объем достигает минимума (объем 3),
подается искра, воспламеняющая рабочую смесь. Давление газов
на лопасть заставляет ее перемещаться, увеличивая объем, при
3
Рабочий ход
Сжатие
4
2
Впуск
Выпуск
1
Рис. 2.59. Принцип
работы роторного
двигателя Вигриянова
2.5. Роторный двигатель Вигриянова
111
этом совершается рабочий ход (такт сгорания и расширения).
Объем 4 при повороте ротора уменьшается, выталкивая отработавшие газы через выпускное отверстие (такт выпуска).
Таким образом, все четыре такта выполняются за один оборот
ротора, что позволяет получить существенно более высокую мощность по сравнению с поршневым двигателем.
Движение лопастей относительно друг друга, а значит, и объемов между ними и относительно корпуса двигателя задается синхронизатором, который также осуществляет отбор мощности.
При работе данного типа двигателя происходят такие же химические процессы, как и в рабочей области цилиндра поршневого
четырехтактного ДВС. В обычном четырехтактном двигателе с одним цилиндром за 2 оборота коленчатого вала происходит один
рабочий ход. В роторно-лопастном двигателе за 2 оборота — 8 рабочих ходов. Из этого следует, что роторно-лопастный двигатель работает как восьмицилиндровый. При этом он имеет меньшие габариты и массу. Благодаря полностью симметричной конструкции
двигатель хорошо уравновешен и создает минимальные уровни
вибрации.
Преимущества двигателя Вигриянова характерны для любого
роторного двигателя. Это простота конструкции, отсутствие специального механизма газораспределения, низкие вибрации, высокая
удельная мощность, простота передачи энергии между отдельными
рабочими камерами. Отдельно стоит остановиться на тех особенностях конструкции Вигриянова, которые отличают ее от роторнопоршневого двигателя Ванкеля:
геометрия камеры сгорания. Варьируя форму лопастей, можно
получить сферическую камеру сгорания, обладающую максимальным отношением объема к площади, что является гарантией высокого КПД;
изоляция отдельных камер друг от друга. Применяется уплотнитель канального типа. Лопасти проходят на минимальном расстоянии от стенок рабочей камеры. Ввиду того что нет трения
о стенки, нет и разрушения поверхности, и, как следствие, отпадает необходимость в смазке этой поверхности. Соответственно отсутствует расход масла, что повышает экологические показатели;
хорошая уравновешенность, что уменьшает вибрации;
эффективность коэффициента полезного действия выше на
10...12 %, чем у обычного поршневого двигателя.
112
Глава 2. Механизмы двигателя
К недостаткам можно отнести, в частности, высокую тепловую
напряженность ротора, особенно его лопастей. Для мощных двигателей такого типа обязательна эффективная принудительная система охлаждения ротора.
Роторный двигатель Вигриянова может работать на бензине,
дизельном топливе, природном газе, пропан-бутане.
В Ё-мобиле рассматриваемый тип двигателя спарен с электрогенератором. Вырабатываемый ток запасается в накопителе (суперконденсаторе) и передается на два ведущих электромотора (по
одному на каждую ось), которые через дифференциалы вращают
колеса, реализуя схему постоянного полного привода. Все электрооборудование управляется специально разработанной единой
компьютерной системой, минимизирующей количество электропроводки в автомобиле.
ГЛАВА
3
СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Система охлаждения представляет собой совокупность ус
тройств, обеспечивающих отвод тепла от нагретых деталей двигателя и поддерживающих требуемый температурный режим для
нормальной его работы. Другим назначением системы охлаждения
является подогрев салона автомобиля в холодное время. Большинство современных двигателей имеют жидкостные системы
охлаждения, так как вода или низкозамерзающие жидкости обладают высокой теплоемкостью и обеспечивают эффективный отвод
теплоты от нагретых поверхностей.
Жидкостные системы охлаждения подразделяются на однои двухконтурные. Управление ими может быть обычным и электронным.
В качестве привода вентилятора применяются гидравлические
муфты, муфты с электромагнитным включением, электродвигатели.
Жидкостные насосы подразделяются на насосы, имеющие механический привод с частотой вращения, пропорциональной частоте
вращения коленчатого вала, и насосы с электрическим приводом,
в которых частота вращения не зависит от частоты вращения коленчатого вала.
3.1. Двухконтурные системы охлаждения
Помимо традиционных одноконтурных систем охлаждения,
в автомобильных двигателях могут применяться двухконтурные
системы с двумя термостатами. В такой системе охлаждения преду
смотрены два контура циркуляции охлаждающей жидкости (рис. 3.1).
Потоки жидкости через головку цилиндров и через блок цилиндров
разделены и могут иметь различные температуры. Управляют этими
114
Глава 3. Системы охлаждения
2
1
3
10
4
9
8
7
5
6
Рис. 3.1. Контур системы охлаждения:
1 — расширительный бачок; 2 — клапан перепуска отработавших газов; 3 —
радиатор отопителя; 4 — корпус термостата головки цилиндров; 5 — корпус
термостата блока цилиндров; 6 — радиатор; 7 — охладитель масла; 8 — контур
охлаждения головки цилиндров; 9 — контур охлаждения блока цилиндров;
10 — жидкостный насос
потоками два термостата, расположенные в общем корпусе. Один
из них управляет потоком жидкости через блок цилиндров, а другой — через головку цилиндров. Одна третья часть жидкости направляется к цилиндрам, а две трети — к камерам сгорания в головке цилиндров. Помимо всего прочего, головки цилиндров обоих
двигателей охлаждаются поперечными потоками жидкости.
При температуре охлаждающей жидкости ниже 87 °C оба термостата закрыты, благодаря чему прогрев двигателя ускоряется.
Охлаждающая жидкость движется по контуру, включающему:
насос 10 охлаждающей жидкости; головку цилиндров; корпус 5
термостата; радиатор 3 отопителя; охладитель 7 масла; клапан 2
перепуска отработавших газов; расширительный бачок 1.
При температуре охлаждающей жидкости от 87 до 105 °C термостат головки блока цилиндров открыт, а термостат блока цилиндров закрыт. В результате этого температура охлаждающей
жидкости в головке цилиндров стабилизируется на уровне 87 °С,
а в блоке цилиндров продолжает повышаться.
3.1. Двухконтурные системы охлаждения
115
Охлаждающая жидкость движется по контуру, включающему,
кроме вышеперечисленных составляющих системы охлаждения,
и радиатор.
При температуре охлаждающей жидкости свыше 105 °C оба термостата открыты. В результате этого температура охлаждающей
жидкости в головке цилиндров стабилизируется на уровне 87 °С,
а в блоке цилиндров устанавливается на уровне 105 °C.
Охлаждающая жидкость движется по контуру, включающему
дополнительно к вышеперечисленному и блок цилиндров.
Применение двухконтурной системы охлаждения и электрического насоса имеет следующие преимущества:
ускоряется прогрев блока цилиндров, охлаждающая жидкость
через который не прокачивается вплоть до температуры 105 °С;
повышенные температуры блока цилиндров способствуют
снижению потерь на трение в кривошипно-шатунном механизме;
сниженный температурный уровень головки цилиндров обеспечивает лучшее охлаждение камер сгорания, в результате чего
повышается наполнение цилиндров и снижается склонность смеси
к детонации при одновременном уменьшении количества оксидов
азота в сгорающей топливовоздушной смеси.
Для того чтобы двигатель максимально быстро достиг своей
рабочей температуры после запуска, в двухконтурных системах
охлаждения может применяться отключаемый насос системы охлаж
дения (рис. 3.2). Включение насоса осуществляется при достижении температуры охлаждающей жидкости 30 °C.
Отключаемый насос системы охлаждения работает так же, как
и обычный с постоянным механическим приводом. Главным отличием отключаемого насоса является наличие в нем цилиндрической заслонки 8.
Отключение подачи охлаждающей жидкости достигается за
счет того, что на крыльчатку 4 насоса надвигается цилиндрическая
заслонка 8. При подаче вакуума в вакуумную камеру 2 диафрагма 3, втягиваясь влево и преодолевая сопротивление пружины 5,
толкает шток 7 с направляющим поршнем, передвигает заслонку 8
и закрывает крыльчатку насоса (рис. 3.2, а). Подача охлаждающей
жидкости (ОЖ) при этом прекращается. Условием для приведения заслонки в закрытое положение является температура ОЖ
менее 30 °C.
116
Глава 3. Системы охлаждения
а
б
1
2
4
5
3
8
6
7
Рис. 3.2. Отключаемый насос охлаждающей жидкости:
а — насос отключен; б — насос включен; 1 — трубопровод подвода разрежения; 2 — вакуумная камера; 3 — диафрагма; 4 — крыльчатка насоса; 5 — пружина; 6 — шкив; 7 — шток; 8 — передвижная цилиндрическая заслонка
Для возобновления подачи ОЖ подача разрежения на вакуумный привод отключается. Под воздействием пружины цилиндрическая заслонка убирается обратно (рис. 3.2, б).
Для постепенного смешивания ОЖ при запуске двигателя насос включается на одну секунду и снова отключается. Этот цикл
осуществляется несколько раз подряд с интервалами между циклами 7 с. Если необходимо включать отопитель, насос включается сразу же.
Положение цилиндрической заслонки регулируется бесступенчато. Она может быть или выдвинута, или убрана (насос отключен/насос включен). При отсутствии напряжения или при выходе
клапана из строя отключать циркуляцию ОЖ нельзя, цилиндрическая заслонка под воздействием усилия пружины убирается (максимальная производительность насоса).
3.2. Система охлаждения
с электронным регулированием
На параметры работы двигателя существенно влияет оптимальный температурный режим охлаждающей жидкости. Повышенная
температура охлаждающей жидкости при частичной нагрузке обе-
117
3.2. Система охлаждения с электронным регулированием
спечивает благоприятные условия для работы двигателя, что снижает расход топлива и токсичность отработавших газов. Благодаря пониженной температуре охлаждающей жидкости при полной
нагрузке мощность двигателя увеличивается вследствие охлаждения всасываемого воздуха и тем самым увеличения его количества,
поступающего в двигатель.
Система охлаждения с электронным управлением (рис. 3.3)
позволяет регулировать температуру жидкости при частичной нагрузке двигателя в пределах от 95 до 110 °C и при полной нагрузке от 85 до 95 °C.
2
3
1
4
6
5
11
10
9
8
7
Рис. 3.3. Система охлаждения с электронным управлением:
1 — расширительный бачок; 2 — дополнительный радиатор системы отопления; 3 — клапан отключения радиатора системы отопления; 4 — распределитель охлаждающей жидкости с электронным термостатом; 5 — масляный радиатор коробки передач; 6 — датчик температуры охлаждающей жидкости
(на выходе жидкости из двигателя); 7 — датчик температуры охлаждающей
жидкости (на выходе жидкости из радиатора); 8 — масляный радиатор; 9 —
вентиляторы; 10 — основной радиатор системы охлаждения; 11 — жидкостный насос
118
Глава 3. Системы охлаждения
Данная система охлаждения оптимизирует температуру охлаждающей жидкости в соответствии с нагрузкой двигателя. Согласно
программе оптимизации, заложенной в память блока управления
двигателем, с помощью термостата и вентиляторов достигается
требуемая рабочая температура двигателя. Таким образом, температура охлаждающей жидкости приведена в соответствие с нагрузкой двигателя.
а
4
3
2
5
6
1
7
б
8
3
9
1
7
Рис. 3.4. Принципиальная схема работы распределителя охлаждающей
жидкости с электронным термостатом:
а — циркуляция жидкости по малому кругу; б — циркуляция жидкости по
большому кругу; 1 — поток жидкости от основного радиатора; 2 — зона отстоя
охлаждающей жидкости при закрытой клапанной тарелке; 3 — большая клапанная тарелка; 4 — поток жидкости от двигателя; 5 — поток жидкости от
системы отопления; 6 — поток жидкости от масляного радиатора; 7 — поток
жидкости от жидкостного насоса; 8 — малая клапанная тарелка; 9 — электронный термостат
3.2. Система охлаждения с электронным регулированием
119
Основной отличительной особенностью данной системы охлаждения является наличие распределителя охлаждающей жидкости
с электронным термостатом. В связи с введением электронного
регулирования системы охлаждения в блок управления двигателем поступает следующая дополнительная информация:
электропитание термостата (выходной сигнал);
температура охлаждающей жидкости на выходе из радиатора (входной сигнал);
управление вентиляторами радиатора (два выходных сигнала);
положение потенциометра у регулятора системы отопления
(входной сигнал).
Распределитель представляет собой устройство для направления потока охлаждающей жидкости в малый или большой круг
(рис. 3.4).
В термостате, в отличие от обычных систем охлаждения, установлено
дополнительное нагревательное сопротивление 3 (рис. 3.5).
2
1
При нагревании охлаждающей
жидкости наполнитель 2 разжижает3
x
ся и расширяется, что ведет к подъему штифта 1. Когда к нагревательному сопротивлению не поступает ток,
Рис. 3.5. Электронный
термостат действует как традиционтермостат
ный, однако температура его срабатывания повышена и составляет 110 °C
(температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя).
В наполнитель встроено нагревательное сопротивление 3. Когда
на него подается ток, оно нагревает наполнитель 2, который при
этом расширяется, в результате чего штифт выдвигается на определенную величину «x» в зависимости от степени нагрева наполнителя. Штифт 1 теперь перемещается под действием не только
нагретой охлаждающей жидкости, но и нагревания сопротивления. Блок управления двигателем определяет степень нагревания
сопротивления в соответствии с заложенной программой оптимизации температуры охлаждающей жидкости. В зависимости от характера импульса и времени его подачи изменяется степень нагревания наполнителя.
120
Глава 3. Системы охлаждения
Малый круг служит для быстрого прогрева после запуска холодного двигателя (см. рис. 3.4, а). Система оптимизации температуры охлаждающей жидкости при этом не работает. Термостат
в распределительной коробке препятствует выходу охлаждающей
жидкости из двигателя и открывает кратчайший путь к насосу. Радиатор не включен в круг циркуляции охлаждающей жидкости.
Охлаждающая жидкость циркулирует по малому кругу. Положение клапанных тарелок таково, что возможно движение охлаждающей жидкости только к насосу. Охлаждающая жидкость нагревается очень быстро, чему способствует циркуляция ее только по
малому кругу.
Теплообменник системы отопления и масляный радиатор включены в малый круг.
Ход охлаждающей жидкости в большой круг (см. рис. 3.4, б)
открывается или посредством термостата в регуляторе по достижении температуры примерно 110 °C, или в соответствии с нагрузкой двигателя по программе оптимизации температуры охлаждающей жидкости, заложенной в блок управления двигателем.
При полной нагрузке двигателя требуется интенсивное охлаждение охлаждающей жидкости. На термостат в распределителе поступает ток, и открывается путь для жидкости из радиатора. Одновременно посредством механической связи малая клапанная тарелка
перекрывает путь к насосу в малом круге.
Насос подает охлаждающую жидкость, выходящую из головки
блока, непосредственно к радиатору. Охлажденная жидкость из
радиатора поступает в нижнюю часть блока двигателя и оттуда засасывается насосом.
Возможна также комбинированная циркуляция охлаждающей
жидкости. Одна часть ее проходит по малому кругу, другая — по
большому.
Управление термостатом в оптимизированной системе охлаждения двигателя (движение охлаждающей жидкости по малому
или большому кругу) осуществляется в соответствии с трехмерными графиками зависимости оптимальной температуры охлаждающей жидкости от ряда факторов, основными из которых являются нагрузка двигателя, частота вращения коленчатого вала,
скорость движения автомобиля и температура всасываемого воздуха. По этим графикам определяется величина номинальной температуры охлаждающей жидкости.
3.2. Система охлаждения с электронным регулированием
121
Термостат срабатывает лишь тогда, когда фактическая величина температуры охлаждающей жидкости выходит за пределы поля
допуска номинальной величины температуры.
Фактические значения температуры охлаждающей жидкости
снимаются с двух различных мест контура системы охлаждения
и передаются в блок управления двигателем в виде сигналов по
напряжению. Датчики температуры охлаждающей жидкости работают с отрицательным температурным коэффициентом. Номинальные величины температуры охлаждающей жидкости заложены
в память блока управления двигателем в качестве графических зависимостей.
При эксплуатации двигателя в странах с суровым климатом
может применяться дополнительный электроподогрев для повышения температуры охлаждающей жидкости. Дополнительный подогрев состоит из трех свечей накаливания. Они встроены в месте
подсоединения магистрали охлаждающей жидкости к головке блока.
По сигналу от блока управления реле включает малый или большой подогрев. В зависимости от резерва по току генератора включаются одна, две или три свечи накаливания для подогрева охлаждающей жидкости.
Термостат с шаровым клапаном. Инновационным развитием
систем охлаждения является применение в них термостата с шаровым клапаном (рис. 3.6). Такой термостат позволяет управлять
циркуляцией потоков ОЖ в зависимости от потребности, что обеспечивает при холодном пуске быстрый выход на оптимальную
рабочую температуру и поддержание ее при различных режимах
работы двигателя.
Главным элементом термостата является поворотная управляющая заслонка 7, которая бесступенчато перераспределяет потоки охлаждающей жидкости, поступающей на оба входа термостата. Заслонка перемещается под воздействием термоэлемента 4,
установленного в корпусе термостата. В исходное положение заслонку возвращает пружина 2, усилие которой направлено против
усилия (расширяющегося) термоэлемента.
На холодном двигателе управляющая заслонка полностью перекрывает поступление ОЖ от радиатора системы охлаждения
(рис. 3.6, а). Охлаждающая жидкость циркулирует только по малому контуру, что позволяет быстро прогревать двигатель до рабочей температуры.
122
Глава 3. Системы охлаждения
а
3
б
4
в
2
1
7
5
6
Рис. 3.6. Принцип работы термостата с шаровым клапаном:
а — холодный двигатель; б — прогрев двигателя; в — двигатель прогрет до
рабочей температуры; 1 — подвод ОЖ от радиатора системы охлаждения; 2 —
пружина; 3 — рычаг; 4 — термоэлемент; 5 — подвод ОЖ от масляного радиатора; 6 — подвод ОЖ от выхода ОЖ на блоке цилиндров (выход на радиатор); 7 — управляющая заслонка
С ростом температуры ОЖ термоэлемент начинает перемещать
управляющую заслонку. Она частично открывает канал поступления холодной охлаждающей жидкости от радиатора системы охлаждения (рис. 3.6, б). Это позволяет отводить от двигателя лишнее
тепло, поддерживая его в оптимальном температурном диапазоне.
При достижении двигателем рабочей температуры заслонка
полностью открывает канал поступления ОЖ от радиатора системы
охлаждения (рис. 3.6, в). Основной поток охлаждающей жидкости
проходит теперь через радиатор системы охлаждения.
Преимущества термостата с шаровым клапаном относительно
традиционного термостата: незначительные усилия привода; компактная конструкция; высокая пропускная способность при полностью открытой управляющей заслонке.
3.3. Электрический жидкостный насос
Перспективным направлением развития системы охлаждения
является применение электрических жидкостных насосов (рис. 3.7).
В системе охлаждения современных двигателей используются также электроуправляемые двойные термостаты. Применение электрического насоса и электроуправляемых термостатов позволяет
123
3.3. Электрический жидкостный насос
1
2
3
Рис. 3.7. Электрический жидкостный насос:
1 — крыльчатка; 2 — электродвигатель со статором, защищенным от воздействия жидкости; 3 — электронная исполнительная система
достигать более четкого нормирования внутреннего давления и снижения потерь на перемещение потоков охлаждающей жидкости,
обеспечивая требуемые потоки охлаждающей жидкости независимо от частоты вращения коленчатого вала, что характерно для механических насосов.
Управляет электрическим насосом и электроуправляемыми
термостатами блок управления двигателем, в памяти параметрических характеристик которого находятся данные по температурам
нагрева и охлаждения двигателя. В блок управления поступает информация от датчиков трансмиссии, двигателя и других механизмов и систем и выдается на исполнительные механизмы для работы
электрических насосов, электроуправляемых термостатов, электровентиляторов и управляемых воздушных заслонок для регулирования потоков воздуха. Частота вращения вала насоса изменяется
в более широких пределах, чем в механических насосах; например,
минимальная частота вращения составляет 18 об/мин. Электронное регулирование позволяет быстро прогревать двигатель и масло,
что снижает трение и уменьшает расход топлива.
124
Глава 3. Системы охлаждения
В системах охлаждения с электрическим насосом применяются
различные контуры циркуляции охлаждающей жидкости, что дает
возможность жидкости циркулировать по большим или малым
контурам в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Такая система циркуляции более эффективна по сравнению с обычной и снижает потребление электроэнергии на привод
электрического жидкостного насоса, мощность которого не превышает 200 Вт.
Электрические насосы могут применяться и в качестве дополнительных к основному насосу. Когда двигатель перестает работать,
прекращается и циркуляция охлаждающей жидкости, что может
привести к локальному перегреву головки блока цилиндров. Избежать этого позволяет дополнительный электрический насос охлаждающей жидкости, который при слишком высокой температуре
обеспечивает циркуляцию определенной части охлаждающей жидкости после выключения двигателя. Дополнительный электрический насос работает только при выключенном двигателе. Включается он при достижении определенной температуры. Одновременно
с ним включается также вентилятор системы охлаждения двигателя.
ГЛАВА
4
СИСТЕМЫ СМАЗКИ
Назначение системы смазки заключается в подводе к трущимся
деталям двигателя достаточного количества масла, необходимого
для уменьшения трения за счет создания масляной пленки между
сопряженными деталями, охлаждения их поверхностей, удаления
частиц металла, образующихся вследствие износа, и защиты деталей от коррозии.
В современных автомобильных двигателях обычно применяют
комбинированную систему смазки, когда наиболее нагруженные
детали (коренные и шатунные подшипники, подшипники распределительного вала и др.) смазываются под давлением, создаваемым масляным насосом, а остальные — путем разбрызгивания
масла. Разбрызгивается масло коленчатым валом и другими вращающимися деталями. Пространство картера двигателя при этом
заполняется мельчайшими частицами масла, которое, осаждаясь
на деталях, проникает в зазоры между трущимися поверхностями.
4.1. Система смазки легкового автомобиля
В типичной системе смазки легкового автомобиля (рис. 4.1)
при работе двигателя масло засасывается из поддона двигателя
масляным насосом через маслозаборник с сетчатым фильтром, предотвращающим попадание в насос крупных частиц. Из насоса под
давлением масло подается в масляный фильтр, где очищается от
механических примесей и проходит в главную масляную магистраль, из нее поступает к коренным подшипникам коленчатого
вала, опорам распределительного вала и другим деталям. К шатунным шейкам коленчатого вала масло проходит через отверстия,
просверленные в нем. В некоторых двигателях в нижней головке
126
Глава 4. Системы смазки
шатуна имеется канал, по которому масло подается для смазки
поршневого пальца. Для подачи масла на рабочую поверхность цилиндра иногда выполняют сверление в нижней головке шатуна, из
которого при совпадении отверстий в шатунной шейке и головке
шатуна масло попадает на зеркало цилиндра. В отдельных случаях
для этого используются специальные форсунки, которые могут устанавливаться для охлаждения поршней в двигателях с высокими
1
2
14
3
4
13
5
12
11
7
6
10
9
8
Рис. 4.1. Система смазки двигателя легкового автомобиля:
1 — вакуумный насос; 2, 5, 7, 8 — перепускные клапаны; 3 — масляный фильтр;
4 — датчик давления; 6 — масляный радиатор; 9 — масляный насос; 10 — балансирный вал; 11 — привод вспомогательных агрегатов; 12 — гидравлический натяжитель цепи; 13 — турбонагнетатель; 14 — форсунка охлаждения
поршня
4.1. Система смазки легкового автомобиля
127
температурными режимами работы. Для охлаждения нагретого
масла применяются масляные радиаторы.
Вытекающее через зазоры в подшипниках масло разбрызгивается движущимися деталями кривошипно-шатунного и газорас
пределительного механизмов и в виде капель и масляного тумана
попадает на другие детали двигателя. Из полости головки блока
цилиндров под действием силы тяжести масло стекает обратно
в поддон, смазывая при этом детали привода газораспределительного механизма (ГРМ).
Ведущая роль в работе современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания принадлежит масляному насосу. Сравнительно большие крутящие моменты при низких частотах вращения
коленчатого вала, особенно у дизельных двигателей с наддувом,
диктуют необходимость увеличения давления нагнетания и производительности масляных насосов. Это связано с тем, что при таких нагрузках интенсивно нагреваются конструктивные элементы
двигателя, что приводит к перегрузке подшипников коленчатого
вала. С другой стороны, повышение производительности масляных
насосов ограничено необходимостью низкого расхода топлива, так
как мощность, расходуемая на привод насоса, может составлять до
8 % мощности двигателя. Таким образом, на современном этапе
автомобилестроения актуальным является вопрос регулирования
производительности масляного насоса при различных режимах
работы двигателя.
Существует большое количество разнообразных вариантов конструкций масляных насосов. Разумеется, не все они подходят для
применения в двигателях внутреннего сгорания. Основными критериями при выборе той или иной конструкции насоса являются:
габаритные размеры;
стоимость;
производительность.
В настоящее время в системах смазки используются пластинчатые, героторные насосы и насосы с маятниковыми золотниками.
Пластинчатые (шиберные) масляные насосы. Шестеренчатые
масляные насосы приводятся в движение от коленчатого вала двигателя, поэтому при повышении частоты вращения возрастает их
производительность, в то время как потребление масла самим двигателем меняется незначительно. Кроме того, повышается приво-
128
Глава 4. Системы смазки
дная мощность насоса. Таким образом, чтобы регулировать производительность насоса в зависимости от числа оборотов привода,
была разработана конструкция пластинчатого (шиберного) масляного насоса. Имея в своем составе небольшое количество элементов, насос такой конструкции позволяет регулировать величину
производительности за счет смещения наружного статора относительно центра вращения ротора. При максимальной частоте вращения коленчатого вала пластинчатый масляный насос нуждается
лишь в половине приводной мощности по сравнению с шестеренчатыми насосами, что способствует снижению расхода топлива.
Производительность шиберного насоса (рис. 4.2) может изменяться с помощью эксцентрикового поворотного регулирующего
кольца 9.
Клапан регулирования давления масла 2 в зависимости от нагрузки на двигатель, частоты вращения двигателя и температуры
масла переключает давление между обоими режимами давления.
Благодаря этому в наиболее часто используемых режимах эксплуатации (городской режим или междугородние поездки) потребляемая масляным насосом мощность существенно снижается.
а
б
1
3
2
4
1
5
9
8
3
2
4
5
9
6
6
7
7
8
Рис. 4.2. Регулируемый пластинчатый (шиберный) масляный насос:
а — работа с низкой производительностью; б — работа с высокой производительностью; 1 — промежуточный корпус; 2 — электромагнитный клапан
регулирования давления масла; 3 — масляный канал второй управляющей
поверхности; 4 — масляный канал первой управляющей поверхности; 5 — пластина; 6 — рабочая камера; 7 — пружина; 8 — вторая управляющая поверхность; 9 — эксцентриковое поворотное регулирующее кольцо
4.1. Система смазки легкового автомобиля
129
Насос может работать с низкой или высокой производительностью.
При работе с низкой производительностью (рис. 4.2, а) на
электромагнитный клапан 2 регулирования давления масла подается напряжение от блока управления двигателя, что приводит
к открытию масляного канала 3 для второй управляющей поверхности 8. По масляному каналу 4 давление масла постоянно воздействует на первую управляющую поверхность. В этом случае на
обе управляющие поверхности с одинаковым давлением действуют оба масляных потока, результирующая сила которых превышает усилие пружины 7. Эксцентриковое регулирующее кольцо 9
поворачивается против часовой стрелки и уменьшает рабочую камеру насоса. Низкая производительность включается в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки на
него и температуры масла. Потребляемая масляным насосом мощность на этом режиме снижается.
При частоте вращения двигателя выше 2500 об/мин или повышенном моменте (ускорение с полной нагрузкой) блок управления
двигателя отключает электромагнитный клапан 2 от массы. Масляный канал 3 второй управляющей поверхности закрывается
(рис. 4.2, б). Давление масла действует только на первую поверхность. Это усилие меньше усилия пружины. Пружина поворачивает регулирующее кольцо по часовой стрелке. Регулирующее кольцо отклоняется от центра, и перекачиваемый объем масла между
пластинами насоса увеличивается. За счет увеличения рабочей камеры возрастает и производительность насоса. Увеличению расхода масла препятствуют отверстия масляных каналов и зазоры
подшипников коленчатого вала. В результате этого растет давление масла. Таким образом, масляный насос с регулируемой производительностью работает в двух режимах давления.
Героторный масляный насос. Регулируемый героторный масляный насос способен поддерживать давление масла на уровне
3,5 кгс/см2 за счет изменения подачи практически во всем рабочем
диапазоне скоростных режимов.
Подача насоса регулируется с помощью промежуточного кольцевого корпуса, на который действует пружина регулятора.
Вращающийся вместе с ведущим валом внутренний ротор 3
увлекает за собой наружный ротор 2 (рис. 4.3). Так как оси роторов
130
а
Глава 4. Системы смазки
Сторона
нагнетания
В масляную
магистраль
б
Сторона
всасывания
2
2
3
3
4
1
Из масляного
поддона
4
1
Рис. 4.3. Регулируемый героторный масляный насос:
а — при давлении масла ниже 3,5 кгс/см2; б — при давлении масла выше
3,5 кгс/см2; 1 — промежуточный корпус; 2 — наружный ротор; 3 — внутренний ротор; 4 — пружина регулятора
не совпадают, при их вращении на стороне всасывания увеличиваются объемы, заключенные между зубьями. Всасываемое в результате этого масло перемещается на сторону нагнетания. На стороне
нагнетания объемы между зубьями уменьшаются, и масло вытесняется в магистраль системы смазки.
Работа насоса при давлении масла ниже 3,5 кгс/см2 (рис. 4.3, а).
Пружина регулятора отжимает до упора промежуточный кольцевой
корпус, преодолевая действующее на него давление масла (указано
стрелками). Вместе с положением промежуточного корпуса изменяется положение внутреннего ротора таким образом, что объемы
между зубьями наружного и внутреннего роторов увеличиваются
на большую величину. В результате растет количество масла, подаваемого со стороны всасывания на сторону нагнетания и далее
в магистраль системы смазки. Увеличение подачи масла приводит
к повышению его давления.
Работа насоса при давлении масла выше 3,5 кгс/см2 (рис. 4.3, б).
Под давлением масла промежуточный корпус перемещается, преодолевая усилие пружины. Вместе с ним изменяет положение внутренний ротор, что приводит к уменьшению прироста объемов
между зубьями внутреннего и наружного роторов. В результате
уменьшается количество масла, транспортируемого со стороны
131
4.2. Системы отделения масла от картерных газов
2
3
1
4
Рис. 4.4. Конструкция объемного масляного насоса с золотниками
маятникового типа:
1 — зона нагнетания; 2 — рабочий объем при максимальном эксцентриситете;
3 — поршень регулирования эксцентриситета; 4 — зона всасывания
всасывания на сторону нагнетания, и подача масла в магистраль
падает. При этом давление масла в ней соответственно снижается.
Масляный насос с маятниковыми золотниками. Конструкция
масляного насоса с золотниками маятникового типа (рис. 4.4) позволяет изменять рабочий объем путем изменения эксцентриситета наружного ротора относительно центрального, а в связи с этим
давление и производительность насоса. Эксцентриситет меняется
при помощи специального регулирующего поршня, который в зависимости от давления масла изменяет положение наружного ротора. Такая конструкция насоса позволила снизить механическую
мощность привода до 2 кВт.
4.2. Системы отделения масла
от картерных газов
В зависимости от конструкции двигателя утечка газов из одного цилиндра двигателя в пространство картера составляет от 10 до
30 л/мин. В зоне работы маслосъемных колец, вследствие высоких
скоростей перемещения поршня, картерные газы обогащаются
132
Глава 4. Системы смазки
частицами масла размером от 0,1 до 2 мкм. Кроме того, образованию масляного аэрозоля способствует и постоянное перемешивание масла в масляной ванне вращающимся коленчатым валом.
Картерные газы содержат моторное масло, которое находится
во взвешенном состоянии в виде масляного тумана. Фильтрующие
модули в составе системы смазки современных двигателей имеют
специальную систему отделения моторного масла от картерных
газов (масляные сепараторы).
Существующие системы вентилирования картера двигателя позволяют применить два варианта удаления картерных газов:
отвод в атмосферу;
возвращение во впускной коллектор двигателя.
Первый метод вентилирования картера двигателя практикуется
немногими производителями автомобильных двигателей, а на сегодняшний день он не соответствует требованиям по охране окружающей среды.
Второй метод снижает выброс в окружающую среду картерных
газов, но из-за содержащихся в них частиц масла возникают другие проблемы:
появление отложений на горячих конструктивных элементах двигателя, например на лопатках турбокомпрессора, что ведет
к снижению срока службы;
наличие лаковых отложений в элементах системы охлаждения впускного воздуха;
замасливание впускного тракта;
повышение содержания твердых частиц в выхлопных газах.
Поэтому системы вентилирования картера современного двигателя внутреннего сгорания должны обеспечивать отделение частиц
масла. Это вызвано ужесточением требований по охране окружающей среды, а именно необходимостью снижения содержания твердых частиц в выхлопных газах.
Для отделения частиц масла от картерных газов применяют
масляные сепараторы различной конструкции. Изначально в качестве отделителя масла использовалось синтетическое волокно, которое в виде фильтрующей ткани устанавливалось в корпусе масляного сепаратора и задерживало частицы масла, увлекаемые
потоком картерных газов в системе вентиляции картера двигателя
(рис. 4.5).
4.2. Системы отделения масла от картерных газов
133
2
1
Рис. 4.5. Масляный сепаратор с синтетическим отделителем:
1 — синтетический фильтроэлемент; 2 —
картерные газы, очищенные от масла; 3 —
картерные газы, содержащие частицы
масла; 4 — отделенное масло
3
4
Задержанное таким образом моторное масло собиралось на дне
корпуса масляного сепаратора и через отверстие возвращалось обратно в масляную ванну двигателя. Конструктивно масляный сепаратор интегрируется вместе с масляным фильтром в так называемый фильтрующий блок (модуль) (рис. 4.6).
Однако в процессе эксплуатации свойства фильтрующей ткани
из синтетического волокна постепенно ухудшались, поскольку она
загрязнялась смолистыми веществами,
образующимися в результате неизбежного старения масла и его окисления,
а также твердыми частицами, преимущественно углеродом в форме сажи,
1
особенно у дизельных двигателей. Загрязнение фильтрующей ткани приво2
дило к возрастанию сопротивления
прохождению через нее картерных газов, что обусловливало ухудшение работы системы вентиляции картера двигателя и диктовало необходимость замены фильтроэлемента масляного сепаратора.
Рис. 4.6. Внешний вид
Чтобы избавиться от недостатков
фильтрующего блока:
фильтрующей ткани из синтетического
1 — масляный фильтр;
волокна, в последних моделях совре2 — масляный сепаратор
134
Глава 4. Системы смазки
4
3
2
5
1
Рис. 4.7. Принцип работы системы вентиляции картера двигателя
с циклонным маслоотделителем:
1 — циклонный маслоотделитель; 2 — клапан регулировки давления; 3 — охладитель нагнетаемого воздуха; 4 — турбокомпрессор; 5 — газы, прорывающиеся
через поршневые кольца
менных автомобилей стали применять циклонные маслоотделители
(рис. 4.7).
Картерные газы подводятся по каналу внутри двигателя в циклонный маслоотделитель, который приводит воздух во вращательное движение. Благодаря возникающей центробежной силе масляный туман ударяется о стенку маслоотделителя, где образуются
4.3. Электронная система контроля уровня масла
а
135
б
2
3
4
1
Рис. 4.8. Схема работы клапана регулировки давления циклонного
маслоотделителя:
а — открытое положение клапана; б — закрытое положение клапана; 1 — трубопровод подачи картерных газов; 2 — трубопровод забора воздуха; 3 — мембрана; 4 — пружина сжатия
капли масла, по каналу в картере стекающие в масляный поддон.
Очищенный от масляного тумана воздух через клапан регулировки давления подводится к каналу забора воздуха.
Циклонный маслоотделитель снабжен специальным клапаном
(рис. 4.8), ограничивающим разрежение в картере двигателя, так
как при сильном разрежении могут быть повреждены сальники
двигателя и другие резиновые уплотнения.
Клапан регулировки давления находится в крышке циклонного
маслоотделителя. Он состоит из мембраны и пружины сжатия и регулирует давление при удалении воздуха из картера. При сильном
разрежении в заборном канале клапан закрывается, при незначительном разрежении он открывается силой пружины сжатия.
4.3. Электронная система контроля
уровня масла
В современных автомобилях может отсутствовать щуп для контроля уровня масла в двигателе, который в двигателях таких автомобилей определяется электронной системой контроля. Данные
136
Глава 4. Системы смазки
Рис. 4.9. Примеры сообщений на дисплее комбинации приборов
об уровне моторного масла отображаются на дисплее щитка приборов или на дисплее магнитолы (рис. 4.9).
Возможно появление следующих сообщений:
уровень масла в норме (символ зеленого цвета) с указанием
«Уровень масла в норме» (рис. 4.9, а);
минимальный уровень масла (символ желтого цвета) с указанием «Долить не более 1 л масла, дальнейшее движение возможно» (рис. 4.9, б);
недолив (символ красного цвета) с указанием «Пожалуйста,
немедленно долейте масло» (рис. 4.9, в);
перелив (символ желтого цвета) с указанием «Пожалуйста,
уменьшите уровень масла»;
неисправность датчика уровня масла (символ желтого цвета) с указанием «Датчик неисправен».
В качестве датчиков уровня масла могут применяться термический или ультразвуковой.
Термический датчик (рис. 4.10) работает по принципу нагреваемой проволочной нити. Уровень масла измеряется с помощью
температурозависимого меандра на печатной плате. Меандр подогревается. Имеющееся количество масла определяет характеристики его охлаждения. Полученное время охлаждения и есть величина уровня масла.
Информация, поступаемая с датчика, используется для определения уровня и качества масла. При определении качества масла
137
4.3. Электронная система контроля уровня масла
1
4
3
2
+
–
Рис. 4.10. Термический датчик:
1 — температурозависимый меандр; 2 — печатная плата; 3 — блок управления
двигателя; 4 — комбинация приборов
учитывается также и отложение частиц сажи в масле. Параметр
отложения сажи находится опытным путем и сохраняется в соответствующей характеристике. Во время движения происходит постоянное измерение температуры моторного масла и определение
его уровня. Оба параметра при помощи общего сигнала с широтноимпульсной модуляцией передаются через блок управления двигателя на блок управления комбинации приборов.
Ультразвуковой датчик работает по принципу ультразвукового сигнала. Посылаемые ультразвуковые импульсы отражаются от границы раздела сред масло — воздух. На основании промежутка времени между посланным и вернувшимся импульсом
и с учетом скорости звука и вычисляется уровень масла.
Сигнал от обоих датчиков обрабатывается встроенным в корпус датчиков электронным блоком.
Трубка в традиционных системах контроля уровня масла,
в которую вставляется маслоизмерительный щуп, в двигателях
с электронной системой контроля уровня масла сохраняется. Она
служит для вакуумной откачки масла.
ГЛАВА
5
СИСТЕМЫ ВПРЫСКА
БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В настоящее время в системах питания бензиновых двигателей
практически все производители вместо карбюраторов применяют
системы впрыска. Основными преимуществами систем впрыска
по сравнению с карбюраторными системами являются:
более равномерное распределение смеси по цилиндрам;
отсутствие сопротивления воздуха на впуске, что улучшает
наполняемость цилиндров воздухом и повышает мощность двигателя;
высокая степень оптимизации работы двигателя на всех режимах его работы благодаря точной регулировке состава смеси.
Автомобильные двигатели оборудуются двумя видами систем:
системами впрыска во впускной трубопровод;
системами впрыска в цилиндры двигателя (непосредственный впрыск).
Среди систем впрыска во впускной трубопровод различают:
механические системы непрерывного впрыска без электронного блока управления (типа К-Jetronic);
механические системы непрерывного впрыска с электронным блоком управления (типа КE-Jetronic);
электронные системы многоточечного впрыска, в которых
управление системами питания и зажигания осуществляется отдельными блоками управления (типа L-Jetronic);
электронные системы многоточечного впрыска, в которых
управление системами питания и зажигания осуществляется одним блоком управления (типа Motronic);
электронные системы одноточечного впрыска (моносистемы);
электронные системы одноточечного впрыска (типа Моnо);
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
139
электронные
системы впрыска сжиженного нефтяного газа;
системы впрыска сжатого природного газа.
Учитывая ограниченное применение на вторичном автомобильном рынке и при эксплуатации автомобилей с механическими системами непрерывного впрыска без электронного блока управления
(типа К-Jetronic) и с ним (типа КЕ-Jetronic) электронных систем
впрыска L-Jetronic, а также то, что эти системы были рассмотрены
в предыдущем издании, в данном издании они не рассматриваются.
электронные
5.1. Устройство и принцип действия
электронной системы впрыска Motronic
Устройство системы впрыска Motronic. Производительность
современных микропроцессоров позволяет осуществлять управление функциями впрыска топлива и зажигания посредством единого
электронного блока управления, благодаря чему снижается стоимость аппаратуры и, кроме того, используется общий источник
питания. Реализовать эту рациональную идею стало возможно потому, что многие из входных сигналов пригодны для регулирования как впрыска, так и зажигания. Использование единого электронного устройства повышает надежность системы управления
двигателем и позволяет уменьшить затраты на сборку. На практике
это означает отказ от механического и пневматического регулирования опережения зажигания. Вместо него используется бесконтактная, полностью электронная, управляемая микропроцессором
система зажигания, которая функционирует на основе информации, поступающей от индукционного датчика частоты вращения
и углового положения коленчатого вала. Микропроцессор электронного блока управления преобразует поступающую информацию в так называемые параметрические поверхности (трехмерные
графические характеристики), которые учитывают действия водителя и нагрузку на двигатель.
Для реализации возможно большего числа функций управления требуется разнообразная входная информация. Одна из разновидностей электронной системы управления представлена на
рис. 5.1.
140
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
6
1
7
3
2
9
8
4
10
5
15
11
12
14
13
16
17
18
19
21
21
25
–
20
+
22
23
24
26
Рис. 5.1. Схема системы Motronic с встроенной системой диагностики:
1 — адсорбер; 2 — клапан впуска воздуха; 3 — клапан регенерации продувки;
4 — регулятор давления топлива; 5 — форсунка; 6 — регулятор давления; 7 —
катушка зажигания; 8 — датчик фазы; 9 — вспомогательный воздушный насос
для подачи дополнительных порций воздуха; 10 — вспомогательный воздушный
клапан; 11 — расходомер воздуха; 12 — блок управления; 13 — датчик положения дроссельной заслонки; 14 — клапан дополнительной подачи воздуха;
15 — датчик температуры воздуха; 16 — клапан системы рециркуляции отработавших газов; 17 — топливный фильтр; 18 — датчик детонации; 19 — датчик частоты вращения коленчатого вала; 20 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 21 — лямбда-зонд (кислородный датчик); 22 — аккумуляторная батарея; 23 — диагностический разъем; 24 — диагностическая лампочка;
25 — датчик дифференциального давления; 26 — электрический топливный
насос в топливном баке
В систему впрыска Motronic могут поступать следующие данные:
состояние зажигания (включено или выключено);
положение распределительного вала;
частота вращения коленчатого вала;
скорость движения автомобиля;
диапазон изменения передаточного отношения (в случае наличия автоматической трансмиссии);
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
номер
141
включенной передачи;
о включении кондиционера и т.п.;
напряжение аккумуляторной батареи;
температура воздуха на впуске;
расход воздуха;
угловое положение дроссельной заслонки;
напряжение сигнала кислородного датчика;
сигнал датчика детонации.
Входные каскады электронного блока управления подготавливают поступившие от датчиков сигналы, характеризующие режимные параметры. Микропроцессор обрабатывает эти данные, определяет рабочий режим двигателя и рассчитывает параметры необходимых управляющих сигналов, которые передаются на выходные
каскады усиления, а затем поступают к исполнительным устройствам. Последние воздействуют на характеристики систем питания
и зажигания, обеспечивая точное дозирование топлива и оптимальный момент зажигания.
Установленный с торца распределительной магистрали регулятор давления топлива 4 в системе поддерживает постоянное давление впрыска и осуществляет слив излишнего топлива в бак. Этим
обеспечивается циркуляция топлива в системе и исключается образование паровых пробок.
Основу системы составляет электронный блок управления 12.
Количество впрыскиваемого топлива, определяемое временем открытия электромагнитной форсунки, зависит от сигнала, подаваемого блоком управления.
Основным параметром, определяющим дозировку топлива, является объем всасываемого воздуха, измеряемый расходомером
воздуха. Поступающий воздушный поток отклоняет напорную измерительную заслонку расходомера воздуха, преодолевая усилие
пружины, на определенный угол, который преобразуется в электрическое напряжение посредством потенциометра. Соответствующий электрический сигнал передается на блок электронного
управления, который определяет необходимое количество топлива
в данный момент работы двигателя и выдает на электромагнитные
клапаны рабочих форсунок импульсы времени подачи топлива.
Топливо из распределительной магистрали поступает к электромагнитным форсункам. Впрыск топлива через форсунки в зависимости
информация
142
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
от особенностей системы впрыска может быть параллельным (топливо впрыскивается одновременно всеми форсунками) и последовательным (топливо впрыскивается по порядку работы двигателя перед тактом впуска, аналогично работе системы зажигания).
Независимо от положения впускных клапанов форсунки впрыскивают топливо за один или два оборота коленчатого вала двигателя (за цикл, за два такта).
Если впускной клапан в момент впрыска закрыт, топливо накапливается в пространстве перед клапаном и поступает в цилиндр
при следующем его открытии одновременно с воздухом.
Длительность впрыска определяется блоком управления двигателем.
Клапан дополнительной подачи воздуха 14, установленный в воздушном канале, выполненном параллельно дроссельной заслонке,
подводит к двигателю добавочный воздух при холодном пуске и прогреве двигателя, что приводит к увеличению частоты вращения коленчатого вала. Для ускорения прогрева используются повышенная частота вращения коленчатого вала (более 1000 об/мин).
Для облегчения пуска холодного двигателя может применяться электромагнитная пусковая форсунка, продолжительность открытия которой изменяется в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.
При запуске холодного двигателя в цилиндры поступает повышенное количество топлива, в то время как дроссельная заслонка
прикрыта и воздуха для работы двигателя недостаточно. В это время
по сигналу блока управления открывается клапан дополнительной подачи воздуха, подающий воздух во впускной трубопровод,
минуя дроссельную заслонку, что обеспечивает устойчивую работу двигателя во время прогрева.
Топливный насос. Установленный в системе топливный насос
электрический, шиберного типа, с рабочими органами в виде роликов (рис. 5.2).
Насос и электродвигатель установлены в корпусе и погружены
в топливо. Электродвигатель охлаждается топливом, при этом опасность взрыва исключена ввиду отсутствия здесь горючей смеси.
Реле топливного насоса прерывает цепь напряжения питания топливного насоса в режиме, когда двигатель не работает, а зажигание включено.
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
2
143
4
3
5
6
1
Рис. 5.2. Электрический насос бензиновой системы впрыска топлива:
1 — вход бензина; 2 — редукционный клапан; 3 — насос; 4 — электродвигатель; 5 — обратный клапан; 6 — выход бензина
Насос состоит из герметично закрытого корпуса, внутри которого установлен непосредственно сам насос 3, и электродвигателя 4, приводящего во вращение насос. Редукционный клапан 2
предохраняет систему от чрезмерного повышения давления, а обратный клапан 5 препятствует стеканию топлива в бак после остановки насоса.
Принцип работы насоса поясняют схемы на рис. 5.3.
Ротор 2 насоса расположен эксцентрично относительно корпуса и вращается вместе с якорем электромотора. Ролики перемещаются в канавках ротора, постоянно прижимаясь к опорной поверхности статора.
При вращении ротора увеличивается объем серповидной полости, ограниченной опорной поверхностью роликов 4, ротором 2
а
1
2
3
б
4
5
Рис. 5.3. Схема работы насоса:
а — всасывание топлива; б — нагнетание топлива; 1 — вход бензина; 2 — ротор
насоса; 3 — ролики; 4 — опорная поверхность роликов; 5 — выход бензина
144
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
и двумя роликами, расположенными
5
выше и ниже впускного отверстия 1
(рис. 5.3, а). При этом указанная полость заполняется топливом. Когда
ротор, а вместе с ним и ролики займут
6
положение, показанное на рис. 5.3, б,
объем серповидной полости между роликами уменьшится, что обеспечит
подачу топлива в нагнетательную ма4
7
гистраль.
Форсунка (рис. 5.4). Представляет
3
8
собой электромагнитный клапан. Предназначена для впрыска дозированного
количества топлива, необходимого для
9
2
приготовления горючей смеси при различных режимах работы двигателя.
Дозирование количества топлива зависит от длительности электрическо1
го импульса, поступающего в обмотку
катушки электромагнита форсунки.
Впрыск топлива форсункой синхронизирован с положением поршня в циРис. 5.4. Форсунка элеклиндре двигателя.
тронной
системы впрыска
Форсунка состоит из корпуса 3,
крышки 6, обмотки 4 катушки электромагнита, сердечника 8 электромагнита, иглы 2 запорного клапана, корпуса 9 распылителя, насадки 1 распылителя и фильтра 5.
При работе двигателя топливо под давлением поступает в форсунку через фильтр 5 и проходит к запорному клапану, который
находится в закрытом положении под действием пружины 7.
При поступлении электрического импульса в обмотку 4 катушки электромагнита возникает магнитное поле, которое притягивает сердечник 8 и вместе с ним иглу 2 запорного клапана. При
этом отверстие в корпусе 9 распылителя открывается, и топливо
под давлением впрыскивается в распыленном виде во впускной
трубопровод.
После прекращения поступления электрического импульса
в обмотку катушки электромагнита магнитное поле исчезает, и под
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
145
действием пружины 7 сердечник 8 электромагнита и игла 2 запорного клапана возвращаются в исходное положение. Отверстие
в корпусе 9 распылителя закрывается, и впрыск топлива из форсунки прекращается.
Пусковая форсунка. Пусковая форсунка применялась в более
ранних системах электронного впрыска, например L-Jetronic, предназначена для запуска холодного двигателя и приводится в действие с помощью электромагнита. Конструктивно она не отличается от описанной выше форсунки.
Тепловое реле времени. Электромагнитная пусковая форсунка работает совместно с тепловым реле времени (рис. 5.5), которое
управляет ее электрической цепью в зависимости от температуры
двигателя и продолжительности его запуска. При температуре ниже
35 °С биметаллические контакты замыкаются. Реле пуска холодного двигателя через тепловое реле соединяется с «массой», и ток
подается на обмотку пусковой форсунки, которая впрыскивает топливо во впускной трубопровод. Одновременно напряжение подается на обмотку подогрева 5, пластина 4 деформируется, биметаллические контакты через 7,5 с при 20 °С размыкаются и прерывают
подачу напряжения на обмотку электромагнитной пусковой форсунки, вследствие чего она закрывается, прекращая впрыск топлива. На горячем двигателе биметаллические контакты разомкнуты,
так как биметаллическая пластина 4 при нагреве деформируется,
напряжение на обмотку электромагнитной пусковой форсунки не
подается и дополнительное количество топлива во впускной трубопровод не впрыскивается.
1
2
5
4
Рис. 5.5. Тепловое реле времени:
3
1 — контакт биметаллической пластины; 2 — подвод напряжения от реле пуска холодного двигателя; 3 — подвод напряжения от клеммы 50; 4 — биметаллическая пластина; 5 — обмотка подогрева
146
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
При затяжном запуске двигателя или при повторной попытке
запуска биметаллическая пластина (из-за электрического подогрева) размыкает электрическую сеть, вследствие чего впрыск топлива
через пусковую форсунку прекращается, что предупреждает переобогащение топливной смеси при запуске.
В более совершенных системах впрыска пусковая форсунка
включается по сигналам блока управления или может отсутствовать, обогащение топливовоздушной смеси при холодном запуске
двигателя осуществляется рабочими форсунками.
Регулятор давления топлива (рис. 5.6). Поддерживает давление в топливопроводе и форсунках работающего двигателя в пределах 2,8...3,3 кгс/см2, что необходимо для приготовления горючей
смеси требуемого качества на всех режимах работы двигателя. Регулятор давления состоит из корпуса 1 и крышки 3, между которыми закреплена диафрагма 4 с клапаном 2. Внутренняя полость
регулятора делится диафрагмой на две полости: вакуумную и топливную.
Вакуумная полость находится в крышке 3 регулятора и связана
с ресивером, а топливная полость — в корпусе 1 регулятора и связана с топливным баком.
При закрытии воздушной дроссельной заслонки вакуум в ресивере возрастает, клапан регулятора открывается при меньшем
давлении топлива и перепускает избыточное топливо по сливному
топливопроводу в топливный бак. При этом давление топлива
в топливопроводе двигателя понижается. При открытии воздушной дроссельной заслонки вакуум в ресивере уменьшается, клапан
регулятора открывается уже при большем давлении топлива. В реа
б
1
2
3
4
Рис. 5.6. Регулятор давления топлива:
а — клапан закрыт; б — клапан открыт
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
147
зультате давление топлива в топливо1
проводе двигателя повышается.
В некоторых двигателях с системой
2
впрыска бензина предусматривается
электромагнитный клапан, управляю3
щий разряжением, поступающим к регулятору давления. Это необходимо для
предотвращения паровых пробок, когда температура двигателя при повторном запуске превышает 100 °С. При
включении клапана разрежение, пода4
ваемое к регулятору давления, уменьшается, и давление топлива в магиРис. 5.7. Гаситель
страли увеличивается.
колебаний:
Хотя регулятор давления и поддер- 1 — крышка; 2 — диафрагма;
живает постоянство давления топлива, 3 — поток топлива от фильоднако вследствие открытия и закры- тра; 4 — поток топлива к форсункам
тия форсунок в магистрали имеются незначительные колебания топлива. Поэтому отдельные производители для устранения пульсаций в магистрали системы питания дополнительно используют гаситель колебаний,
который состоит из пружины и диафрагмы (рис. 5.7).
Расходомеры воздуха и датчики. Расходомеры воздуха и датчики, применяемые для систем впрыска бензиновых двигателей,
используются и для дизельной топливной аппаратуры с электронным управлением, поэтому в разделах по дизельной аппаратуре
они не будут рассматриваться.
Расходомер с поворотными заслонками (рис. 5.8). Расположен между воздухоочистителем и корпусом дроссельной заслонки.
Принцип действия расходомера основан на так называемом сопротивлении среды. Расходомер измеряет усилие, действующее на
заслонку 8, которую поток воздуха, поступающего в двигатель, заставляет поворачиваться на определенный угол, преодолевая усилие спиральной пружины. Момент закручивания пружины выбран
так, чтобы заслонка создавала незначительную потерю напора. Для
предотвращения колебаний напорной заслонки под действием потока воздуха, проходящего по впускному трубопроводу, особенно на
режиме холостого хода, предусмотрена демпфирующая камера 5,
148
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
1
2
3
2
4
1
Рис. 5.8. Расходомер воздуха
с поворотными заслонками:
10
9
3
8
4
7
6
1 — подача напряжения от электронного блока управления; 2 — датчик
температуры поступающего воздуха;
3 — подвод воздуха от воздушного
фильтра; 4 — спиральная пружина;
5 — демпфирующая камера; 6 — заслонка демпфирующей камеры; 7 —
подача воздуха к дроссельной заслонке; 8 — заслонка напора воздуха; 9 — обводной канал; 10 — потенциометр
5
в которой расположена заслонка 6, имеющая такую же рабочую поверхность, как и напорная заслонка воздуха 8. Объем демпфирующей камеры, а также зазор между заслонкой 6 демпфирующей камеры и корпусом подобраны так, чтобы напорная заслонка была
способна отслеживать быстрые изменения расхода воздуха при
разгоне.
Соединенный с осью напорной заслонки потенциометр преобразует механическое перемещение ее в изменение электрического
напряжения, которое передается в блок управления для точной
дозировки топлива.
Напряжение аккумулятора через главное реле системы подается на резистор, расположенный внутри корпуса датчика. Балластный резистор понижает напряжение до уровня 5...10 В. Это напряжение подводится к разъему блока управления и к крайнему
выводу реостата потенциометра. Второй вывод реостата соединен
с «массой». Сигнал потенциометра передается с движка через контакт датчика на контакт блока управления.
Внутренняя геометрия расходомера обеспечивает логарифмическую корреляцию между потоком воздуха и угловым положением напорной заслонки, что позволяет рассчитывать оптимальный
состав смеси на режимах малых нагрузок.
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
149
Потенциометр установлен в герметичном корпусе и состоит из
керамического основания с рядом контактов и нескольких резисторов. Сопротивление резисторов постоянно и не зависит от резких колебаний температуры в моторном отсеке.
Чтобы исключить влияние напряжения аккумуляторной батареи на сигнал, выдаваемый потенциометром, электронный блок
управления учитывает разницу между этим напряжением и выходным напряжением расходомера воздуха.
Параллельно с электрической цепью расходомера воздуха включен датчик температуры всасываемого воздуха. Он представляет
собой резистор с отрицательным температурным коэффициентом,
т.е. его сопротивление уменьшается при увеличении температуры.
Сигналы, поступающие от датчика, изменяют выходной сигнал расходомера в зависимости от температуры поступающего воздуха.
Обводной канал 9 под напорной заслонкой служит для прохода воздуха на холостом ходу.
Расходомер воздуха с нагреваемой нитью. Преимуществом
таких датчиков является отсутствие механически подвижных деталей, что определяет их большую долговечность.
Расходомер подобной конструкции является термическим датчиком нагрузки двигателя (рис. 5.9). Его устанавливают между
воздушным фильтром и дроссельной заслонкой. Расходомер определяет массу всасываемого воздуха в кг/ч. Датчики с нагреваемой
нитью и нагреваемой пленкой имеют один и тот же принцип работы.
Расположенный в воздушном потоке и нагреваемый электрическим
током проводник (платиновая нить или токопроводящая полимерная пленка) охлаждается под действием обтекающего его воздуха.
Нить нагревается электрическим током, и температура ее поддерживается постоянной. Если нить охлаждается, то проходящий
3
2
1
Qм
Рис. 5.9. Расходомер воздуха
с проволочным нагревательным
элементом (нитью):
1 — температурный датчик; 2 — кольцо датчика с проволочным нагревательным элементом; 3 — прецизионный реостат; Qм — массовый расход
воздуха в единицу времени
150
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
через нее ток увеличивается до тех пор, пока температура нити не
восстанавливается до первоначальной величины. Изменение силы
тока воспринимается в блоке управления и является параметром
для определения расхода всасываемого воздуха. Встроенный датчик температуры служит для того, чтобы температура всасываемого воздуха не искажала результаты измерений.
Поступающий поток воздуха обтекает нагретый электрическим
током проводник, который встроен в измеритель воздушной массы.
Специальная электронная схема управления поддерживает постоянную температуру проводника независимо от температуры поступающего воздуха. При увеличении количества поступающего
воздуха проводник будет охлаждаться. Величина тока нагрева, требуемого для сохранения постоянной температуры проводника, является мерой массы воздуха, поступающего в двигатель. Этот ток
преобразуется в импульсы напряжения, которые обрабатываются
блоком управления как основной входной параметр наравне с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Кроме того, блок
управления получает информацию о температуре охлаждающей
жидкости и поступающего воздуха. На основе входных сигналов
блок управления выдает импульсы времени впрыска топлива на
форсунки.
Загрязнение нагреваемой нити может привести к искажению
результатов измерений. Поэтому после каждой остановки двигателя
нить подвергается воздействию повышенной температуры и тем
самым очищается.
Расходомер воздуха с пленочным термоанемометром
(рис. 5.10). Измерительный патрубок 2 вмонтирован в массовый
расходомер воздуха, который в зависимости от требуемого двигателем расхода воздуха имеет различные диаметры. Он устанавливается во впускном канале за воздушным фильтром. Возможен
также вариант встроенного измерительного патрубка, который находится внутри воздушного фильтра.
Воздух, входящий во впускной коллектор, обтекает чувствительный элемент 5, который вместе с вычислительным контуром 3
является основным компонентом датчика.
Входящий воздух проходит через обводной канал 7 за чувствительным элементом датчика. Чувствительность датчика при наличии сильных пульсаций потока может быть улучшена применением
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
151
1
Рис. 5.10. Схема массового
расходомера воздуха с пленочным
термоанемометром:
2
1 — выводы электрического разъема;
2 — измерительный патрубок; 3 — вычислительный контур (гибридная схема);
4 — вход воздуха; 5 — чувствительный
элемент датчика; 6 — выход воздуха;
7 — обводной канал; 8 — корпус датчика
3
4
5
8
7
6
соответствующей конструкции обводного канала, при этом определяются также и обратные токи воздуха. Датчик соединяется с ЭБУ
через выводы 1.
Принцип работы массового расходомера воздуха заключается
в следующем (рис. 5.11). Микромеханическая диафрагма 5 датчика на чувствительном элементе 3 нагревается центральным нагревающим резистором. При этом резко падает температура на каждой стороне зоны нагрева 4.
Распределение температуры по диафрагме регистрируется двумя
температурозависимыми резисторами, которые устанавливаются
симметрично до и после нагревающего резистора (точки измерения М1 и М2). При отсутствии потока воздуха на впуске температурная характеристика 1 одинакова на каждой стороне измерительной зоны (T1 = T2). Как только поток воздуха начинает обтекать
чувствительный элемент датчика, распределение температуры по
диафрагме меняется (характеристика 2).
На стороне входа воздуха температурная характеристика является более крутой, поскольку входящий воздух, обтекающий эту
поверхность, охлаждает ее. Вначале на противоположной стороне
(сторона, наиболее близко расположенная к двигателю) чувствительный элемент датчика охлаждается, но затем воздух, подогре-
152
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
T
1
T1 = T2
2
T2
T
T1
0
M2
7
M1
4
3
5
6
7
Рис. 5.11. Принцип измерения массового расхода воздуха пленочным
термоанемометром:
1 — температурная характеристика при отсутствии потока воздуха; 2 — температурная характеристика при наличии потока воздуха; 3 — чувствительный
элемент датчика; 4 — зона нагрева; 5 — диафрагма датчика; 6 — датчик с измерительным патрубком; 7 — поток воздуха; М1, М2 — точки измерения; Т1,
Т2 — значения температуры в точках измерения M1 и М2; ∆T — перепад температур
ваемый нагревательным элементом, нагревает его. Изменение
в температурном распределении (∆T) приводит к перепаду температур между точками измерения М1 и М2.
Тепло рассеивается в воздухе, и, следовательно, температурная
характеристика чувствительного элемента датчика является функцией массового расхода воздуха. Разница температур, таким образом, есть мера массового расхода воздуха, при этом она не за-
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
153
висит от абсолютной температуры протекающего потока воздуха.
Кроме того, разница температур является направленной. Это означает, что массовый расходомер регистрирует не только количество
входящего воздуха, но и его направление.
Благодаря тонкой микромеханической диафрагме датчик имеет высокую динамическую чувствительность (< 15 мс), что важно
при больших пульсациях входящего воздуха.
Разница сопротивлений в точках измерения М1 и М2 преобразуется встроенным в датчик вычислительным (гибридной схемой)
контуром в аналоговый сигнал напряжением 0...5 В. Такой уровень
напряжения подходит для обработки сигналов в ЭБУ. Используя
характеристику датчика, запрограммированную в ЭБУ, измеренное напряжение преобразуется в величину, представляющую массовый расход воздуха (кг/ч). По форме кривой диагностические
устройства, встроенные в ЭБУ, могут определять такие нарушения, как обрыв цепи.
В датчик может также быть вмонтирован температурный датчик для выполнения вспомогательных функций. Он располагается
в пластмассовом корпусе и не является обязательным для измерения массового расхода воздуха.
Пленочный расходомер воздуха. Этот датчик состоит из толстопленочной диафрагмы, расположенной на керамической основе
(рис. 5.12). Датчик измеряет разрежение во впускном коллекторе
по данным определения деформации пленочной диафрагмы. При
определенных коэффициентах расширения керамической подложки и керамической пленочной крышки в результате охлаждения
стыка диафрагма принимает форму купола. В результате получается
пустотелая камера (пузырек) высотой примерно 100 мкм и диаметром 3...5 мм. Измерительные пьезоэлектрические элементы, расположенные внутри пленки, преобразуют перемещения диафрагмы
в электрический сигнал.
В системах впрыска Motronic в зависимости от марки и модели автомобиля могут применяться следующие датчики расхода
воздуха:
объемные расходомеры воздуха (LMM);
термоанемометрические массовые расходомеры воздуха с нагреваемой нитью (LHM);
термоанемометрические массовые расходомеры воздуха с нагреваемой пленкой (HFM).
154
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
1
2
4
5
3
Рис. 5.12. Пленочный
расходомер воздуха:
1 — измерительная цепь; 2 —
диафрагма; 3 — камера эталонного давления; 4 — измерительный элементы; 5 — керамическая подложка
5 мм
Клапан добавочного воздуха (стабилизации частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу) предназначен для
подачи дополнительного воздуха при пуске холодного двигателя
и поддержания оптимальной частоты вращения коленчатого вала
двигателя при его работе на холостом ходу. Изменение частоты
вращения коленчатого вала корректируется в зависимости от колебаний нагрузки на двигатель (включение кондиционера воздуха,
переключение передач автоматической трансмиссии) при прогреве холодного двигателя, когда во впускной коллектор из форсунок
поступает повышенная порция топлива.
Установленный вблизи дроссельной заслонки перепускной клапан дополнительной подачи воздуха 14 через канал обеспечивает
дополнительную порцию воздуха (см. рис. 5.1).
При пуске холодного двигателя канал подачи дополнительного воздуха открыт заслонкой клапана, которая перемещается при
нагреве биметаллической пластины (рис. 5.13). Напряжение на нить
нагрева подается одновременно с подачей напряжения на пусковую форсунку.
Кроме таких конструкций в системах электронного впрыска
может применяться и конструкция, показанная на рис. 5.14.
Клапан дополнительной подачи воздуха представляет собой
регулирующий клапан, связанный с якорем.
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
155
а
2
3
5
б
4
1
Рис. 5.13. Клапан дополнительной подачи воздуха:
а — открытое положение клапана; б — закрытое положение клапана; 1 — нить
нагрева; 2 — биметаллическая пластина; 3 — ось заслонки; 4 — заслонка; 5 —
подача дополнительного воздуха
2
3
4
1
5
Область регулирования
Рис. 5.14. Клапан дополнительной подачи воздуха (стабилизации
холостого хода):
1 — якорь; 2 — подача воздуха к впускному трубопроводу; 3 — подача воздуха от воздушного фильтра; 4 — регулирующий клапан; 5 — обмотка
При отклонении частоты вращения коленчатого вала от запрограммированной величины электронный блок управления увеличивает или уменьшает ток сигнала управления, выдаваемого на
156
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
обмотку якоря, шток которого соответствующим образом изменяет проходное сечение. Соответственно этому изменяется и количество воздуха, подаваемого в обход дроссельной заслонки, что позволяет поддерживать стабильную частоту вращения коленчатого
вала на холостом ходу при подключении дополнительных нагрузок на двигатель, например кондиционер, или увеличивать количество воздуха при пуске холодного двигателя.
Управление клапаном осуществляется по сигналу блока управления в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и включения пусковой форсунки.
Отдельные системы с электронным управлением впрыска топлива содержат датчик давления воздуха в коллекторе (рис. 5.15),
определяющий нагрузку двигателя и количество перепускаемых
газов при рециркуляции. Помимо этого по сигналу датчика определяется нагрузка двигателя при пуске, так как измеритель расхода воздуха работает на этом режиме недостаточно точно из-за
сильных пульсаций во впускной системе.
Датчик соединен вакуумным шлангом с впускным коллектором. Разрежение в коллекторе действует на мембрану. На мембране находятся тензорезисторы, сопротивление которых изменяется
при деформации мембраны. Измеряемое давление при этом сравнивается с эталонным разрежением под мембраной. Мембрана прогибается в зависимости от давления во впускном трубопроводе, при
этом изменяется напряжение на выходе датчика, создаваемое в результате изменения сопротивления тензорезисторов. Это напряжение
а
б
2
1
3
Рис. 5.15. Датчик давления воздуха во впускном коллекторе:
а — положение мембраны при малом разрежении; б — положение мембраны
при большом разрежении; 1 — полость разрежения; 2 — полупроводниковые
элементы; 3 — мембрана
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
157
используется в блоке управления для определения величины давления во впускном трубопроводе.
Абсолютное давление в коллекторе вычисляется как атмосферное давление минус разрежение в коллекторе. Питание датчика
осуществляется эталонным напряжением 5,0 В. Сигнал датчика
в виде напряжения, меняющегося в зависимости от давления, подается на ЭБУ. На холостом ходу это напряжение составляет примерно 1,0 В, при полной нагрузке оно повышается до 4,5 В.
Массовый расход воздуха, поступающего в двигатель, ЭБУ вычисляет с учетом плотности, определяемой по значению абсолютного давления и температуры воздуха в коллекторе, а также частоты вращения коленчатого вала.
Датчик температуры воздуха расположен во впускном кожухе или в корпусе датчика расхода воздуха и измеряет температуру воздуха перед входом во впускной коллектор. Поскольку плотность воздуха обратно пропорциональна его температуре, показания датчика позволяют ЭБУ более точно определять массу воздуха,
подаваемого в двигатель.
Датчик питается эталонным напряжением 5,0 В. Он представляет собой термосопротивление с отрицательным температурным
коэффициентом. Напряжение с датчика, меняющееся в зависимости от температуры, подается на ЭБУ. Это напряжение составляет
2,0...2,8 В при температуре 20 °С и снижается до 1,5 В при температуре 40 °С.
Потенциометрический контактный датчик положения дроссельной заслонки представляет собой потенциометр, на котором
смонтированы контакты закрытого положения заслонки, соответствующего холостому ходу. Потенциометр позволяет ЭБУ определять положение и скорость перемещения заслонки, а контактный
датчик сигнализирует о достижении двигателем состояния холостого хода. Датчики имеют общую точку заземления через ЭБУ.
К выводу контактного датчика холостого хода подведено от
ЭБУ напряжение 5,0 В. При замыкании контактов это напряжение
падает до нуля.
Потенциометр датчика имеет три вывода. К одному из крайних
выводов подведено эталонное напряжение 5,0 В, второй вывод заземлен: третий вывод соединен с движком потенциометра, с которого
на ЭБУ поступает сигнал в виде напряжения, пропорционального
158
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
углу поворота заслонки. Сигнал датчика позволяет ЭБУ вычислить
также скорость открытия заслонки.
Лямбда-регулирование. Для более точного регулирования горючей смеси в зависимости от качества сгорания (наличия свободного кислорода) и более высокой степени очистки отработавших
газов необходима регулировка коэффициента избытка воздуха, чтобы состав смеси был близок к стехиометрическому. С этой целью
в двигателях применяют системы, основой которых является устанавливаемый в выпускной системе специальный датчик — лямбдазонд, определяющий наличие кислорода в отработавших газах. Такие
системы называют системами с обратной связью.
Датчик кислорода (рис. 5.16) представляет собой элемент из
порошка двуокиси циркония, спеченного в форме пробирки, наружная и внутренняя поверхность которой покрыты пористой платиной
или ее сплавом, выполняющими роль катализатора и токопроводящих электродов. Наружная поверхность лямбда-зонда покрыта
тонким защитным слоем керамики. Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита, а лямбда-зонд
становится гальваническим элементом. Наружная поверхность лямб
да-зонда соприкасается с отработавшими газами, а внутренняя —
с атмосферным воздухом.
Принцип работы лямбда-зонда показан на рис. 5.17. На поверхности электродов 1 и 2 (пористая платина) всегда присутствует
остаточный кислород, связанный с водородом, углеродом или азотом. При высоких температурах (более 350 °С) в случае обогащеОтработавшие газы
6
2
Воздух
1
5
4
3
Рис. 5.16. Датчик кислорода:
1 — твердый электролит двуокиси циркония;
2 — платиновый наружный электрод; 3 — платиновый внутренний электрод; 4 — контакты;
5 — корпусной контакт; 6 — выпуск отработавших газов
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
Наружный
воздух
Выхлопные газы
Твердый электролит
из диоксида циркония
Ионы кисло
рода с отри
цательным
зарядом,
равным 2
Электрод 1
–
Граничная зона Е
В
Пористая поверхность
159
Электрод 2
+
Граничная зона О
Стенка выхлопной трубы
Рис. 5.17. Принцип работы лямбда-зонда
ния смеси в граничной зоне Е возникает недостаток кислорода.
Отрицательно заряженные ионы кислорода начинают перемещаться к электроду 1, заряд на котором по отношению к электроду 2
становится отрицательным, что приводит к возникновению ЭДС.
Внутреннее сопротивление циркониевого лямбда-зонда тем
выше, чем ниже его температура. Поэтому генерирование ЭДС
лямбда-зондом начинается только при прогреве его до температуры 350 °С. До этого времени потенциал на выходе лямбда-зонда
составляет 0,0...0,5 В — это опорное напряжение, подаваемое от
входного каскада блока управления. Наличие опорного напряжения на входе блока позволяет определить готовность лямбда-зонда
к работе. На режимах пуска, прогрева холодного двигателя, ускорения и режиме максимальной мощности он не работает и состав
смеси определяется блоком управления. Для расширения диапазона действия лямбда-зонда и повышения скорости его прогрева,
особенно на режимах холостого хода и в условиях низких температур, применяют подогрев датчиков.
160
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
Напряжение, В
1
0,5
0
2с
Рис. 5.18. Выходной сигнал лямбда-зонда
При появлении в отработавших газах кислорода (коэффициент избытка воздуха λ больше единицы — бедная смесь) на контактах лямбда-зонда падает напряжение (рис. 5.18).
Выходное напряжение Uλ меняется от 0 до 1 В в течение очень
короткого промежутка времени (несколько раз за 1 с), что свидетельствует о быстром реагировании как самого лямбда-зонда, так
и всей системы топливодозирования на установившихся режимах.
Если оно увеличивается, тогда горючая смесь переходит в зону стехиометрического состава (от обедненной к обогащенной) и длительность впрыска топлива форсункой впрыска изменяется.
Таким образом, лямбда-зонд работает в релейном режиме и позволяет применять его в системе автоматической стабилизации
состава смеси в зоне стехиометрического состава. Упрощенный
алгоритм работы системы с обратной связью (режим замкнутого
контура или замкнутой петли) представлен на рис. 5.19.
Весь цикл непрерывно повторяется и состав смеси изменяется
от λ = 0,97...0,98 до λ = 1,02...1,03. Исключение составляют следующие режимы: режим максимальной мощности (λ = 0,86...0,88), режим
торможения двигателем (отключение подачи топлива, при этом
смесь очень обедненная и лямбда значительно больше единицы),
режим ускорения (обогащение смеси, адекватное скорости открытия дроссельной заслонки).
В силу различных причин (изменения характеристик датчика
кислорода и технического состояния двигателя, нестабильности
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
161
Обогащенная
смесь
( 1)
Сгорание
Сгорание
Увеличение
расчетной
длительности
впрыска
Увеличение
сигнала
лямбдазонда
( U 1 B)
Уменьшение
сигнала
лямбдазонда
(U 0 B)
Уменьшение
расчетной
длительности
впрыска
Сгорание
Впрыск
Обедненная
смесь
( 1)
Рис. 5.19. Упрощенный алгоритм работы системы лямбда-коррекции
топлива и др.) с течением времени для управления питанием двигателя оказывается недостаточно только коррекции времени впрыска. Чтобы учесть изменения, влияющие на работу топливной системы, в последних электронных системах питания электронный
блок управления подстраивается под возникающие изменения (самообучение системы). В связи с этим для корректирования состава
смеси, кроме коэффициента коррекции λ, применяются еще два
коэффициента: λ1 — аддитивный коэффициент коррекции само
обучения и λ2 — мультипликативный коэффициент коррекции
самообучения. Первый коэффициент корректирует работу двигателя на режиме холостого хода, второй — на режиме частичных
нагрузок. Если неисправности двигателя или отдельных элементов системы питания, возникшие в процессе эксплуатации автомобиля, определяются с помощью сканирующего прибора и устраняются, тогда коэффициенты λ, λ1, λ2 возвращаются к номинальным
значениям.
162
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
Согласно требованиям Евро-3 и Евро-4 система самодиагностики должна регистрировать пропуски воспламенения смеси. Из-за
них резко повышается содержание вредных веществ в отработавших газах — в первую очередь несгоревших углеводородов. Дожигание чрезмерного количества углеводородов перегревает нейтрализатор и может вывести его из строя. При уровне пропусков
воспламенения в двигателе свыше 4 % (на каждые 100 рабочих циклов — более 4 пропусков) содержание несгоревших паров топлива
в отработавших газах становится выше допустимых норм.
В случае появления пропусков воспламенения электронный
блок управления фиксирует повышенную неравномерность вращения коленчатого вала по показаниям датчика его положения
следующим образом. Например, двигатель с порядком воспламенения в цилиндрах 1–3–4–2 работает в установившемся режиме,
причем первый и третий цилиндры в порядке, а в четвертом воспламенения нет. Время полуоборота первого и третьего цилиндров
одинаковое, а у четвертого оно больше — вращение коленчатого
вала замедляется. Во втором исправном цилиндре начинается ускорение вращения. Электронный блок управления фиксирует сбой
в работе двигателя и помечает его как пропуск.
Для подсчета пропусков у каждого цилиндра свой счетчик:
SUM1, SUM2, SUM3, SUM4. Вычислить неисправный цилиндр
блоку управления помогает датчик положения распределительного вала. Допустим, обнаружен пропуск воспламенения в третьем
цилиндре, тогда значение SUM3 увеличивается на единицу, и т.д.
Подсчет продолжается в течение 1000 оборотов коленчатого вала
(допустимо, если счетчик накопит за это время пять пропусков),
потом результат обнуляется и отсчет возобновляется.
Система самодиагностики в комплектации Евро-3 следит за
показаниями счетчиков. Если их сумма превысит отметку 2,5 %, то
будет зафиксирована неисправность и записан код ошибки Р0300.
Коды Р0301, Р0302, Р0303, Р0304 указывают на неисправность
конкретного цилиндра.
В паре со счетчиком SUM работает еще один — SUMKAT. Его
задача — фиксировать пропуски во всех цилиндрах, влияющие на
работоспособность нейтрализатора. При обнаружении одного пропуска показание счетчика изменяется не на единицу, как в предыдущем случае, а на большую величину, зависящую от режима работы
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
163
двигателя. Минимальный скачок составляет 30 единиц, максимальный — 250. Подсчет пропусков прекращается через каждые
200 оборотов коленчатого вала, и показание обнуляется. Если за
такой цикл показание SUMKAT превысит 1000, то будет зафиксирована неисправность и в память контроллера записаны коды Р0300,
Р0301–P0304.
Для того чтобы предупредить водителя о неисправности, на
панели автомобиля начинает мигать контрольная лампа (Сheck
Engine), предупреждая водителя о нештатной ситуации, и после
небольшой задержки отключится форсунка в неисправном цилиндре. При многочисленных пропусках сразу в двух цилиндрах контроллер отключит оба, так как перегрев нейтрализатора недопустим.
В ряде случаев самодиагностика может быть неточной по объективным причинам. Так, движение автомобиля по неровному покрытию означает неравномерное вращение колес, а с ними и коленчатого вала. Чтобы толчок колеса из-за неровностей дороги блок
управления не посчитал за пропуск воспламенения, в моторном
отсеке некоторых автомобилей, удовлетворяющих нормам Евро-3,
рядом с верхней опорой стойки устанавливают датчик неровной
дороги.
Согласно европейскому законодательству (Евро-3, Евро-4), бортовая диагностика должна контролировать состояние нейтрализатора и при неисправности включать диагностическую лампу. Для
выполнения этого условия на выходе из нейтрализатора устанавливают второй датчик кислорода.
Второй датчик также участвует в точной подстройке состава
топливовоздушной смеси, компенсируя погрешность первого датчика, которую необходимо учитывать по мере его старения. Контроллеры некоторых фирм, сравнивая показания обоих датчиков,
рассчитывают коэффициент старения нейтрализатора, на основе
которого специалисты по диагностике строят свои прогнозы.
В качестве первого датчика, согласно системе европейской бортовой диагностики (EOBD), предусматривается установка широкополосного кислородного датчика перед катализатором (рис. 5.20).
В широкополосном кислородном датчике значение лямбда определяется не по изменению напряжения, а по изменению силы тока.
Однако происходящие при этом физические процессы остаются
164
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
2
1
Рис. 5.20. Установка кислородных датчиков до и после нейтрализатора:
1 — широкополосный кислородный датчик (перед катализатором); 2 — триггерный кислородный датчик (после катализатора)
прежними. Преимуществом данного датчика является возможность
измерения содержания кислорода в широких пределах изменения λ
(рис. 5.21).
В качестве второго датчика устанавливается триггерный кислородный датчик, описанный выше, который работает на принципе скачка напряжения (рис. 5.22). Недостаток этого датчика в том,
что он может определить только значение λ > 1 или λ < 1.
В отдельных автомобилях нашли применение кислородные датчики, в которых вместо циркониевого элемента используется титановый. Принцип действия титанового датчика полностью отлиIp, мА
3,0
мB
2,0
1,0
450
0
1,0
2,0
0,7 1,0 1,3 1,6 1,9 2,2
Рис. 5.21. Изменение силы
тока Iр в зависимости от λ
в широкополосном кислородном датчике
0,9
1,0
1,1
Рис. 5.22. Изменение напряжения в зависимости от λ в триггерном планарном кислородном
датчике
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
165
чается от циркониевого датчика и заключается в изменении его
проводимости при приложении напряжения в зависимости от со
держания кислорода в отработавших газах. Титановый датчик не
вырабатывает напряжение, а изменяет свое сопротивление в за
висимости от изменений состава топливной смеси. Из электронного
блока управления на титановый датчик поступает опорное напря
жение (примерно 1 В) от эталонного источника тока с высоким
выходным сопротивлением. Изменение состава топливовоздуш
ной смеси вызывает скачкообразное изменение сопротивления ти
танового датчика и, как следствие, скачкообразное изменение про
текающего через него тока. Соответственно этому изменяется
падение напряжения на включенном последовательно с датчиком
сопротивлении. Вместо постепенного изменения выходного на
пряжения, как в циркониевом датчике, этот датчик изменяет свое
сопротивление скачкообразно от малого (менее 1 кОм) при богатой
смеси к большому (более 20 кОм) при обедненной смеси. Титано
вые зонды широко использовались в некоторых моделях Nissan,
Mitsubishi, Chrysler.
Датчики кислорода бывают одно-, двух-, трех- и четырехпро
водные. Однопроводные и двухпроводные датчики применялись
в самых первых системах впрыска с обратной связью (лямбдарегулированием). Однопроводный датчик имеет только один про
вод, который является сигнальным. Земля этого датчика выведена
на корпус и приходит на массу двигателя через резьбовое соедине
ние. Двухпроводный датчик отличается от однопроводного нали
чием отдельного земляного провода сигнальной цепи. Недостатком
таких датчиков является рабочий диапазон температуры датчика,
который начинается от 300 °С. До достижения этой температуры
датчик не работает и не выдает сигнала. Поэтому датчик такого
типа устанавливается как можно ближе к цилиндрам двигателя,
чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком вы
хлопных газов. Процесс нагрева датчика затягивается, и это вносит
задержку в момент включения обратной связи в работу контрол
лера. Кроме того, использование металла выпускного трубопрово
да в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на
резьбу специальной токопроводящей смазки при установке датчика
и увеличивает вероятность сбоя (отсутствие контакта) в цепи обрат
ной связи. Указанных недостатков лишены трех- и четырехпро
166
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
водные кислородные датчики. В трехпроводный датчик добавлен
специальный нагревательный элемент, который включен, как правило, всегда при работе двигателя и тем самым сокращает время
выхода датчика на рабочую температуру. Его можно устанавливать на удалении от выхлопного коллектора рядом с катализатором. Однако остается один минус — токопроводящий выхлопной
коллектор и необходимость в токопроводящей смазке. Этого недостатка лишен четырехпроводный датчик кислорода, так как два
провода участвуют в подогреве, а два — сигнальных.
Несколько слов о взаимозаменяемости датчиков. Лямбда-зонд
с подогревом может устанавливаться вместо аналогичного, но без
подогрева. При этом необходимо смонтировать на автомобиль
цепь подогрева и подключить ее к цепи, запитываемой при включении зажигания, например параллельно в цепи питания электробензонасоса. Не допускается обратная замена — установка однопроводного датчика вместо трехпроводных и более.
Датчик фаз обычно расположен на заглушке головки цилиндров. Принцип действия датчика основан на эффекте Холла. На
распределительном валу есть специальный штифт. Когда штифт
проходит напротив торца датчика, датчик выдает на контроллер
импульс напряжения низкого уровня (около 0 В), что соответствует положению поршня 1-го цилиндра в такте сжатия.
Сигнал датчика фаз используется контроллером для организации последовательного впрыска топлива в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя. При возникновении неисправности цепей или самого датчика фаз контроллер заносит в свою
память ее код и включает сигнализатор.
Датчик неровной дороги предназначен для измерения амплитуды колебаний кузова автомобиля. Принцип его действия основан на пьезоэффекте.
Возникающая при движении автомобиля по неровной дороге
переменная нагрузка оказывает влияние на угловую скорость вращения коленчатого вала. Созданные при этом колебания частоты
вращения коленчатого вала похожи на те колебания, которые возникают при пропусках воспламенения. Для исключения этой ошибки блок управления при превышении сигнала датчика неровной
дороги определенного порога отключает функцию диагностики пропусков воспламенения. При возникновении неисправности цепей
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
1
7
8
167
3
2
4
5
6
Рис. 5.23. Индуктивный датчик частоты вращения:
1 — постоянный магнит; 2 — корпус; 3 — картер двигателя; 4 — магнитомягкий
сердечник; 5 — обмотка; 6 — воздушный зазор; 7 — магнитное поле; 8 — задатчик угловых импульсов (зубчатый диск) с отметчиком — пропуском зубьев
или самого датчика неровной дороги контроллер заносит в свою
память ее код и включает контрольную лампу, сигнализируя о наличии неполадки.
Ввиду отсутствия прерывателя-распределителя для определения
частоты вращения коленчатого вала в системах впрыска Motronic
применяется индуктивный датчик (рис. 5.23).
Индуктивный датчик содержит стержневой постоянный магнит 1 с полюсным сердечником из магнитомягкой стали и обмотку
индуктивности 5 с двумя выводами.
Датчик устанавливается непосредственно напротив ферромагнитного зубчатого диска — задатчика 8 угловых импульсов, от которого его отделяет небольшой воздушный зазор (0,8...1,5 мм).
Сердечник соединен также с постоянным магнитом 1, и магнитное
поле проходит через сердечник и зубчатый диск — задатчик 8 импульсов. Интенсивность магнитного потока, проходящего через
обмотку, зависит от того, находится датчик напротив зуба на диске
или напротив промежутка (пропуска зубьев). Поскольку магнитный поток концентрируется зубьями диска, что приводит к увеличению магнитного потока через обмотку, то при подходе пропуска
зубьев он ослабевает. Следовательно, при вращении зубчатого
168
1
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
2
Размах
напряже
ния
Рис. 5.24. Переменное напряжение
на выходе индукционного датчика:
1 — среднее напряжение; 2 — напряжение, соответствующее положению
поршня в верхней мертвой точке
диска возникают колебания магнитного потока, которые генерируют синусоидальные колебания напряжения в электромагнитной
обмотке, пропорциональные скорости изменения магнитного потока (рис. 5.24). Амплитуда колебаний переменного напряжения
увеличивается строго пропорционально повышению скорости вращения зубчатого диска. Для генерирования достаточного уровня
сигнала требуется, по крайней мере, 30 об/мин.
Количество зубьев на задатчике угловых импульсов зависит от
конкретного двигателя. Очень большой пропуск зубьев устанавливается для определения положения коленчатого вала и служит как
отметка для синхронизации в ЭБУ. Местоположение пропущенного зуба не обязательно находится в ВМТ. Оно может быть смещено относительно ВМТ на любой угол, записанный в памяти блока
управления.
Другой вариант задатчика угловых импульсов имеет один зуб
на цилиндр. Следовательно, в случае четырехцилиндрового двигателя задатчик имеет четыре зуба и соответственно генерируются
четыре импульса на один оборот зубчатого диска.
В роли задатчика может выступать и маховик с равномерно
установленными стальными штифтами. Обычно они идут через
каждые 10°, т.е. устанавливаются 36 штифтов.
Геометрия зубьев задатчика должна соответствовать геометрии
магнитного сердечника. Электронная схема в ЭБУ преобразует
синусоидальное напряжение, которое характеризуется четко меняющимися амплитудами, в среднеквадратичный сигнал с постоянной амплитудой для его оценки в микропроцессоре ЭБУ.
Современные системы обычно имеют один индуктивный датчик, но в некоторых ранних версиях устанавливались два: датчик
частоты вращения и датчик положения коленчатого вала.
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
169
Амплитуда переменного напряжения датчика изменяется прямо пропорционально частоте вращения. Напряжение может изменяться от 5 В на холостом ходу до 100 В при частоте вращения
6000 об/мин. Поскольку для процессора предпочтителен цифровой сигнал (включено/выключено), переменное напряжение преобразуется в аналого-цифровом преобразователе.
Фильтры. В системах впрыска бензиновых двигателей применяются фильтры (рис. 5.25) с бумажным фильтрующим элементом, за которым находится дополнительная сетка. Благодаря такой комбинации достигается высокая степень очистки. Топливо
фильтруется в бумажном фильтрующем элементе, а сетка служит
для задержки частиц фильтра, которые могут отрываться в процессе
эксплуатации, поэтому показанное на корпусе фильтра стрелкой
направление подачи топлива должно строго соблюдаться. При среднем уровне загрязненности топлива и в зависимости от объема
фильтра срок службы обычно составляет от 30 000 до 80 000 км
пробега.
Индуктивный датчик может также использоваться в качестве
задающего генератора для выдачи базового сигнала на зажигание
и впрыск топлива.
Электронный привод дроссельной заслонки. В системах впрыска Motronic может применяться как обычный механический, так
и электронный привод дроссельной заслонки.
При электронном приводе акселератора дроссельная заслонка
перемещается при помощи электродвигателя, без традиционной
механической связи между педалью акселератора и дроссельной
заслонкой. Положение педали отслеживается датчиками, и соответствующие сигналы передаются в блок управления, где обрабаты1
2
3
Рис. 5.25. Топливный
фильтр:
1 — бумажный фильтрующий элемент; 2 — сетка;
3 — опорная пластина
170
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
ваются и передаются на исполнительный механизм перемещения
дроссельной заслонки. Благодаря такой системе блок управления
может посредством перемещения дроссельной заслонки влиять на
величину крутящего момента двигателя даже в том случае, когда
водитель не меняет положения педали акселератора. Это позволяет
лучше координировать системы двигателя.
Электронный привод дроссельной заслонки состоит:
из педального модуля;
модуля дроссельной заслонки;
корпуса дроссельной заслонки;
блока управления двигателем;
контрольной лампы электронного привода дроссельной заслонки.
Педальный модуль посредством датчиков непрерывно определяет положение педали акселератора и передает соответствующий
сигнал блоку управления двигателем. Педальный модуль включает (рис. 5.26): педаль акселератора; датчик положения педали акселератора; датчики положения акселератора 4.
Два одинаковых датчика используются для обеспечения надежной работы системы, но для ее работы достаточно работоспособности одного датчика.
2
3
4
5
1
4
Рис. 5.26. Педальный модуль:
1 — педаль; 2 — корпус модуля педали акселератора; 3 — контактная дорожка;
4 — датчики; 5 — рычаг
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
171
Оба датчика представляют собой потенциометры со скользящим контактом, укрепленные на общем валу. При каждом изменении положения педали изменяется сопротивление датчиков и, соответственно, напряжение, которое передается на блок управления
двигателем. Используя сигнал от обоих датчиков положения педали
акселератора, блок управления двигателем узнает положение педали в каждый момент времени.
Кроме потенциометрических датчиков со скользящим контактом для измерения положения дроссельной заслонки могут применяться магниторезистивные датчики, которые работают бесконтактно.
Разновидностью педального модуля является бесконтактный
модуль с индукционными катушками. На общей многослойной
плате предусмотрены одна катушка возбуждения и три приемные
катушки для каждого чувствительного элемента, а также электронные элементы обработки сигналов и управления датчиком.
Ромбовидные приемные катушки расположены со смещением
относительно друг друга, благодаря чему создается сдвиг фаз индуцируемого в них тока. Над приемными катушками находятся
катушки возбуждения. На механизме педали закреплена металлическая шторка, которая перемещается при движении педали вдоль
платы на минимальном расстоянии от нее.
Катушка возбуждения запитывается переменным током. В результате возникает переменное электромагнитное поле, действующее на металлическую шторку. При этом в шторке индуцируется
ток, который, в свою очередь, создает вокруг нее свое, вторичное,
переменное электромагнитное поле. Оба поля, образованные катушкой возбуждения и металлической шторкой, действуют на приемные катушки, создавая на их выводах соответствующее напряжение. В то время как собственное поле шторки не зависит от ее
положения, индуцируемый в приемных катушках ток изменяется
при перемещении шторки относительно их (рис. 5.27).
При перемещении шторки изменяется степень перекрытия ею
той или иной приемной катушки и соответственно меняется амплитуда напряжения на ее выводах. Переменные напряжения на
выводах катушек преобразуются затем в электронной схеме датчика в сигналы постоянного напряжения, усиливаются и сравниваются друг с другом. Обработка завершается созданием линейного
напряжения, подаваемого на выводы датчика.
172
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
Педаль в верхнем положении — 0 %
~
1
U1
2
0
U2
U1
U3
Педаль в среднем положении — 50 %
~
U2
U2
U1
U3
0
Педаль в нижнем положении — 100 %
~
U3
U2
U1
U3
0
Рис. 5.27. Изменение напряжения при перемещении заслонки:
1 — шторка; 2 — приемные катушки
Преимуществом модуля является отсутствие контактов, что повышает надежность системы.
Модуль управления дроссельной заслонкой (рис. 5.28) расположен на впускном трубопроводе и служит для обеспечения подачи нужного количества воздуха в цилиндры.
1
2
3
5
7
4
6
Рис. 5.28. Модуль управления дроссельной заслонкой:
1 — корпус дроссельной заслонки; 2 — электропривод дроссельной заслонки;
3 — шестерня привода; 4 — промежуточная шестерня; 5 — шестерня пружинного возвратного механизма; 6 — угловые датчики привода дроссельной заслонки; 7 — дроссельная заслонка
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
173
Модуль состоит из корпуса 1 дроссельной заслонки; дроссельной заслонки 7; привода дроссельной заслонки.
Привод дроссельной заслонки воздействует на дроссельную
заслонку в соответствии с командами блока управления двигателя. Положение дроссельной заслонки отслеживается с помощью
датчиков педали акселератора.
Блок управления двигателем по этим сигналам определяет намерение водителя увеличить или уменьшить мощность двигателя,
суммируя внешние и внутренние требования к крутящему моменту, по ним рассчитывает необходимую величину момента и соответственно этому изменяет его. Крутящий момент определяется
расчетом по частоте вращения двигателя, сигналу о нагрузке двигателя и моменту зажигания, при этом блок управления двигателем
сначала сравнивает фактический крутящий момент с оптимальным моментом. Если эти величины не совпадают, блок управления
расчетом определяет направление и величину положения дроссельной заслонки для достижения совпадения фактического и оптимального крутящего момента. После этого подается управляющий
сигнал приводу дроссельной заслонки для приоткрывания ее или,
наоборот, некоторого закрывания, например в случае включения
дополнительного потребителя — компрессора климатической установки.
Контрольная лампа электронного привода акселератора сигнализирует водителю, что в системе электронного привода имеется
неисправность.
Работа системы впрыска Motronic. Пуск двигателя. В течение
всего процесса пуска двигателя рассчитывается количество впрыскиваемого форсунками топлива. Кроме того, для первых командных импульсов на впрыск в отсутствие вращения коленчатого
вала устанавливается режим «синхронного впрыска». Повышенное количество топлива, впрыскиваемого в соответствии с низкой
температурой двигателя, обусловлено образованием топливной
пленки на внутренних стенках впускного трубопровода и необходимостью компенсации повышенной потребности в топливе двигателя при работе с низкой частотой вращения. После начала вращения коленчатого вала вплоть до завершения режима пуска по
мере увеличения частоты вращения порция впрыскиваемого топлива постепенно уменьшается.
174
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
Система Motronic также согласует параметры зажигания с параметрами процесса пуска. Угол опережения зажигания регулируется
в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и частоты
вращения коленчатого вала так, чтобы был обеспечен легкий пуск
и быстрый прогрев двигателя.
Послепусковой период. В течение послепускового периода (фазы,
начинающейся непосредственно после завершения стадии пуска)
постепенно снижается количество впрыскиваемого топлива в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и промежутка
времени, прошедшего с момента завершения стадии пуска. Угол
опережения зажигания изменяется в соответствии с количеством
впрыскиваемого топлива. Послепусковой период, таким образом,
плавно переходит в стадию прогрева двигателя.
Прогрев двигателя. В зависимости от конструктивных особенностей двигателя и системы выпуска отработавших газов режим
прогрева может быть реализован разными способами. Решающими
факторами для расчета параметров управления двигателем при
прогреве является его готовность к началу движения, а также
оптимизация состава отработавших газов и расхода топлива. Сочетание бедной рабочей смеси с более поздним зажиганием при
прогреве двигателя повышает температуру отработавших газов,
что необходимо для приведения каталитического нейтрализатора
в рабочее состояние. Температура отработавших газов повышается
также при использовании богатой смеси вместе с нагнетанием дополнительного воздуха, который подается в систему выпуска за
выпускными клапанами спустя короткое время с момента пуска
двигателя. Для подачи воздуха, например, может применяться специальный насос. Избыток воздуха при достаточном разогреве системы выпуска приводит к окислению СН и СО и достижению
желаемой высокой температуры отработавших газов.
Оба способа обеспечивают быстрое приведение каталитического нейтрализатора в рабочее состояние. Наряду с воздействием
на угол опережения зажигания и параметры впрыска ускоренный
разогрев нейтрализатора может быть реализован также и за счет
повышения частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу.
При достижении необходимой температуры каталитического нейтрализатора осуществляется регулирование впрыска, обеспечивающее коэффициент избытка воздуха, равный 1, и устанавливается
соответствующий угол опережения зажигания.
5.1. Устройство и принцип действия электронной системы впрыска Motronic
175
Корректировка впрыска топлива при ускорении и замедлении
движения автомобиля. Часть впрыскиваемого топлива при очередном открытии впускного клапана сразу не попадает в цилиндр,
а остается на стенках трубопровода в виде жидкой пленки. Количество топлива, постоянно находящегося в виде такой пленки, резко возрастает с повышением нагрузки и увеличением количества
впрыскиваемого топлива. Во избежание обеднения горючей смеси,
обусловленного оседанием части топлива на стенках впускной системы, во время разгона автомобиля должен быть обеспечен впрыск
соответствующего дополнительного количества топлива. Для улучшения условий смесеобразования могут применяться форсунки
с дополнительным пневматическим распыливанием топлива, что
позволяет уменьшить количество топлива, оседающего на стенках
впускного трубопровода. Такая рабочая форсунка в разрезе показана на рис. 5.29. При снижении нагрузки высвобождается осевшее на стенках впускного трубопровода топливо. Поэтому при замедлении движения время впрыска должно
2
быть соответственно сокращено. Во время
движения в режиме торможения двигателем
впрыск топлива прекращается полностью.
Управление частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу должно обеспечивать соответствие между крутящим моментом и реальной нагрузкой. Последняя 1
на холостом ходу складывается из различных внутренних нагрузочных моментов, моментов сил трения в кривошипно-шатунном
механизме, приводе клапанов и нагрузок дополнительных агрегатов (например, насоса
системы охлаждения, кондиционера или гид
роусилителя рулевого управления). Внутренние моменты сил трения в течение срока
службы двигателя претерпевают постепенное изменение и, кроме того, сильно зависят
Рис. 5.29. Форсунка
от рабочей температуры. На процесс регус подачей воздуха:
лирования частоты вращения влияют поло1 — направление подачи
жение дроссельной заслонки и температура воздуха; 2 — направлеохлаждающей жидкости, а также сигналы
ние подачи топлива
176
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
датчиков нагрузки, поступающие от дополнительных агрегатов.
Заданному значению частоты вращения коленчатого вала двигателя для каждого режима соответствует определенный расход
воздуха.
Регулирование фаз газораспределения воздействием на распределительный вал позволяет оказывать влияние на наполнение цилиндров, чтобы обеспечить возможность максимального повышения мощности и крутящего момента при минимальном расходе
топлива и низкой токсичности отработавших газов. При этом гид
равлические или электрические исполнительные механизмы, управляемые системой Motronic, поворачивают впускной и выпускной
распределительные валы относительно коленчатого на угол, определяемый частотой вращения коленчатого вала или наполнением
цилиндров.
Регулирование угла опережения зажигания по детонации. Электронное управление моментом зажигания дает возможность очень
точно регулировать угол опережения зажигания в зависимости от
частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и температуры
охлаждающей жидкости. В системах Motronic для регулирования
угла опережения зажигания по началу детонации применяется
датчик детонации, который подробно описан в главе 8.
В современные системы впрыска, согласно требованиям Евростандартов, устанавливается система улавливания топливных испарений и система рецеркуляции отработавших газов, работа которых описана в главе 17.
Регулирование холостого хода управляется электронным блоком управления путем изменения положения дроссельной заслонки при помощи электронной системы привода количества впрыскиваемого топлива (изменения времени впрыска), угла опережения
зажигания.
В системах Motronic предусмотрены также дополнительные
функции системы впрыска. Необходимость в дополнительных
функциях управления и регулирования обусловлена жесткими требованиями, предъявляемыми к составу отработавших газов (ОГ),
а также стремлением обеспечить наибольший комфорт и точное
соответствие мощности двигателя условиям движения. В настоящее время используются следующие дополнительные функции:
регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу;
5.2. Электронная система одноточечного впрыска (моносистема)
177
регулирование топливоподачи с обратной связью по составу
смеси;
управление углом опережения зажигания по детонации;
рециркуляция ОГ для снижения выброса с отработавшими
газами оксидов азота (NOx);
управление турбокомпрессором;
управление длиной впускных каналов;
регулирование фаз газораспределения соответствующим воз
действием на газораспределительный механизм;
ограничение подачи топлива при достижении заданной ча
стоты вращения коленчатого вала.
Если система управления и регулирования наделена этими
функциями, речь идет уже не столько об управлении двигателем,
сколько об управлении автомобилем в целом, ибо командные сиг
налы вмешиваются в функционирование и других узлов автомо
биля. При этом становится возможным реализовать связь управ
ляющего устройства с автоматической коробкой передач, что,
в частности, способствует уменьшению ударных нагрузок при пе
реключении передач, создавая благоприятный режим эксплуата
ции. Оказывается возможным также регулирование крутящего
момента на ведущих колесах. Кроме того, можно обеспечить
и управление функционированием регуляторов скорости автомо
биля, выполняющих при помощи радара автоматические функции
управления движением с целью максимального облегчения вож
дения.
5.2. Устройство и принцип действия
электронной системы одноточечного
впрыска (моносистемы)
Кроме распределенного впрыска, в бензиновых двигателях при
меняется также центральный впрыск (одноточечные моносистемы).
Моносистема впрыска представляет собой электронно-управ
ляемую систему, в которой топливо впрыскивается во впускной
трубопровод электромагнитной форсункой, расположенной перед
дроссельной заслонкой. Топливовоздушная смесь распределяется
178
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
3
1
4
2
6
+
5
9
8
7
Рис. 5.30. Схема системы Моnо-Jetronic:
1 — измеритель расхода воздуха; 2 — форсунка; 3 — блок управления; 4 — клапан добавочного воздуха; 5 — датчик положения дроссельной заслонки; 6 —
регулятор давления топлива в системе; 7 — топливный фильтр; 8 — топливный
насос; 9 — датчик температуры охлаждающей жидкости
по цилиндрам, как и в случае применения карбюратора, через
впускной трубопровод. Конструкция системы центрального впрыска схематично представлена на рис. 5.30.
Система подачи топлива из бака аналогична применяемой в системах распределенного впрыска. Топливо из бака засасывается
насосом 8 погружного или выносного типа и под давлением подается к фильтру тонкой очистки 7, а затем к так называемому
моноблоку дроссельной заслонки, где расположена электромагнитная форсунка 2, распыливающая топливо в зону над дроссельной заслонкой. Количество топлива, подаваемого во впускной трубопровод, зависит от величины поднятия иглы форсунки, которая
определяется блоком управления по напряжению, подаваемому
в обмотку форсунки. Если двигатель V-образный, в моноблоке
располагаются две форсунки, каждая из которых распыляет топливо над своей дроссельной заслонкой (эта конструкция применяется в основном на автомобилях американского производства).
5.2. Электронная система одноточечного впрыска (моносистема)
179
При такой схеме используется впускной коллектор, аналогичный таковому в карбюраторных системах. Этим системам характерны основные недостатки систем центрального впрыска: неравномерное распределение топливовоздушной смеси по цилиндрам
и образование топливной пленки на стенках впускных трубопроводов. Тем не менее благодаря совершенным алгоритмам управления эти недостатки удается в значительной степени компенсировать.
Несомненным преимуществом моносистем является их относительная простота и меньшая, по сравнению с многоточечными
системами, стоимость. В условиях эксплуатации они более надежны — например, форсунки в гораздо меньшей степени подвержены
загрязнениям и закоксовыванию, а низкое давление в системе позволяет во многих случаях применять бензонасосы турбинного
типа, которые имеют больший ресурс.
Основная часть моносистемы — узел центральной форсунки,
общая схема которого представлена на рис. 5.31.
В верхней части узла установлена электромагнитная форсунка 4, топливо к которой подводится по специальному каналу. Для
2
1
3
4
9
8
7
6
5
Рис. 5.31. Узел центральной форсунки:
1 — регулятор давления топлива; 2 — обмотка; 3 — датчик температуры всасываемого топлива; 4 — электромагнитная форсунка; 5 — дроссельная заслонка; 6 — корпус дроссельной заслонки; 7 — клапан форсунки; 8 — распыливающие отверстия; 9 — корпус форсунки и регулятора
180
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
поддержания необходимого давления в системах центрального
впрыска используется встроенный регулятор 1 давления, перепускающий излишки топлива по трубопроводу обратно в бак. Как
правило, в системах центрального впрыска поддерживается давление порядка 0,8...1,2 кгс/см2.
Принцип работы и устройство регулятора аналогичны таковым регуляторов, применяемых в электронных системах распределенного впрыска, однако, в отличие от последних, полость над
диафрагмой соединяется не с задроссельным пространством, а с атмосферой (точнее, с полостью за воздушным фильтром). Это объясняется тем, что форсунка расположена над дроссельной заслонкой,
т.е. в зоне практически постоянного давления, поэтому перепад
давления на форсунке не меняется. В обесточенном состоянии
клапан 7 прижат пружиной к седлу и перекрывает доступ топлива
к отверстиям распылителя.
Когда от блока управления на катушку поступает импульс,
магнитное поле, образующееся внутри катушки, поднимает якорь
вверх, уменьшая давление пружины на клапан 7. Топливо, находящееся внутри корпуса форсунки, поднимает клапан и под давлением, поддерживаемым регулятором 1, распыливается в корпус
дроссельной заслонки через отверстия 8. Обычно форсунка имеет
шесть отверстий, ориентированных в разные стороны. Мелкое распыливание топлива обеспечивается за счет завихрения его потока
в отверстиях распылителя. Угол впрыска выбирается таким, чтобы
топливо направлялось в щель между дроссельной заслонкой и ее
корпусом.
Система Mono-Jetronic не имеет расходомера воздуха, поэтому
соотношение масс воздуха и топлива здесь менее точное и определяется только положением дроссельной заслонки, температурой
всасываемого воздуха и частотой вращения коленчатого вала.
Устройство, определяющее положение дроссельной заслонки,
представляет собой в этой системе не выключатель с контактами
(холостого хода, частичной нагрузки, полной нагрузки), а потенциометр, который информирует электронный блок управления
о положении заслонки в данный момент времени.
Основное дозирование топлива осуществляется по трем параметрам: положению дроссельной заслонки, температуре всасываемого
воздуха и частоте вращения коленчатого вала двигателя. Коррек-
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
181
тировка дозирования при холодном пуске и прогреве осуществляется электронным блоком управления по импульсам, получаемым
от датчиков температуры всасываемого воздуха, охлаждающей жидкости и потенциометра дроссельной заслонки. Последний корректирует дозировку и при полной нагрузке. Корректировка по токсичности отработавших газов идет по сигналам лямбда-зонда. Изменение дозирования происходит за счет увеличения или уменьшения
времени впрыска при постоянном давлении топлива.
Электронный блок управления сглаживает колебания напряжения бортовой сети и осуществляет регулировку холостого хода.
Регулировка холостого хода достигается вращением дроссельной
заслонки специальным электродвигателем. При этом увеличивается
или уменьшается количество воздуха в зависимости от отклонения мгновенного значения частоты вращения коленчатого вала от
номинального значения, заложенного в память электронного блока
управления. Блоком управления воспринимается и скорость вращения дроссельной заслонки. При режиме ускорения рабочая смесь
обогащается.
5.3. Электронные системы непосредственного
впрыска бензиновых двигателей
Система непосредственного впрыска бензина в цилиндры двигателя до настоящего времени не была широко распространена,
что обусловливалось тремя основными причинами. Общепринятый в настоящее время впрыск топлива во впускной трубопровод,
во-первых, упрощает конструкцию самой форсунки, во-вторых,
больше времени отводится на приготовление топливовоздушной
смеси и, в-третьих, при этом упрощается конструкция головки
блока.
Обычная форсунка располагается вне камеры сгорания и защищена от всего происходящего во время воспламенения и после
закрытия впускного клапана. Форсунка, входящая в камеру сгорания, должна выдержать все изменения температур и давления, которые там происходят, а это усложняет ее. Она также должна быстрее
впрыскивать топливо и лучше распылять его. Когда двигатель рабо-
182
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
тает на максимальных нагрузках, другими словами, когда он требует
больше топлива, время, отведенное на впрыскивание, уменьшается.
Обычная форсунка, если необходимо, может подавать топливо
в течение большинства циклов, в то время как форсунка непосредственного впрыска не может подавать топливо, когда открыт выпускной клапан, потому что топливо будет удаляться вместе с отработавшими газами. При непосредственном впрыске время, отводимое
на процесс впрыскивания, гораздо меньше, поэтому форсунка должна подавать топливо быстрее, а это требует достаточно высокого
давления топлива.
Смешивание — потенциальная проблема непосредственного
впрыска. В обычной системе топливо начинает смешиваться с воздухом, когда они проходят через впускной клапан, и продолжает
перемешиваться при тактах впуска и сжатия. Форсунка непосредственного впрыска заполняет топливом центральную часть камеры сгорания за короткое время и должна лучше распылить топливо, чтобы гарантировать однородный состав смеси.
Сложность представляет и расположение форсунки непосредственного впрыска в головке цилиндров. Форсунки обычного типа
являются составной частью впускного трубопровода, а форсунка
непосредственного впрыска должна располагаться вверху камеры
сгорания, где уже размещаются клапаны и, особенно, свеча зажигания. Кроме того, остается мало места для прохода охлаждающей
жидкости вокруг жизненно важных зон головки цилиндров.
Несмотря на вышеуказанные проблемы, ряд автомобилестроительных фирм Европы и Японии начали разработку и производство бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива
с целью снизить его расход.
Впервые автомобильный двигатель GDI (Gasoline Direct Injec
tion) с непосредственным впрыском бензина был продемонстрирован японской фирмой Mitsubishi на Международной автомобильной выставке в 1997 г., затем последовали другие производители.
Система топливоподачи системы непосредственного впрыска
работает следующим образом (рис. 5.32). Топливо от топливоподкачивающего насоса 6 подается к топливному насосу высокого
давления 1, оснащенному датчиком давления топлива для его точного дозирования. Топливный насос высокого давления (ТНВД)
заключен в герметичный кожух, и вал насоса приводится во вра-
183
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
3
2
4
7
1
5
8
6
Рис. 5.32. Общая схема системы топливоподачи системы непосредственного впрыска:
1 — ТНВД; 2 — датчик давления топлива; 3 — аккумулятор давления; 4 —
предохранительный клапан; 5 — форсунки; 6 — топливоподкачивающий насос; 7 — катушка зажигания; 8 — свеча
щение с помощью электромагнитной муфты. Топливо к форсункам
цилиндров подается насосом 1 высокого давления, развивающим
давление 40...100 кгс/см2. При этом давление топлива, впрыскиваемого в цилиндры двигателя, может быть постоянным (системы
впрыска GDI — Mitsubishi, FSI — Volkswagen) или изменяться: на
холостом ходу 70 кгс/см2, при полной нагрузке 110 кгс/см2, на
переходных режимах 30 кгс/см2 (система впрыска HPI — Peugeot–
Citroen). Топливо накапливается в аккумуляторе давления 3 и из
него по трубопроводам передается к форсункам. Форсунки 5, в отличие от традиционных систем впрыска, установлены не во впускном трубопроводе, а непосредственно в камере сгорания двигателя.
Необходимое давление в системе поддерживается предохранительным клапаном 4. При подаче напряжения из блока управления открываются соленоидные клапаны и топливо впрыскивается
в камеру сгорания.
Расширенная схема системы топливоподачи системы непосредственного впрыска на примере двигателя Volkswagen показана
на рис. 5.33.
21
22
20
19
18
17
2
15
13
14
16
3
12
4
5
10
11
6
7
9
8
1 — адсорбер с активированным углем; 2 — клапан продувки адсорбера; 3 — устройство изменения фаз газораспределения; 4 — катушка и свеча зажигания; 5 — датчик фаз; 6, 8 — кислородный датчик (лямбда-зонд); 7 — предварительный нейтрализатор; 9 — датчик оксидов азота; 10 — нейтрализатор оксидов азота; 11 — датчик температуры
отработавших газов; 12 — датчик температуры; 13 — датчик детонации; 14 — датчик частоты вращения коленчатого
вала двигателя; 15 — топливный бак; 16 — форсунка с датчиком давления; 17 — датчик давления топлива; 18 — датчик давления воздуха на впуске; 19 — клапан перепуска отработавших газов; 20 — клапан продувки адсорбера; 21 —
электропривод дроссельной заслонки; 22 — модуль педали акселератора; 23 — блок управления двигателем; 24 —
датчик температуры поступающего воздуха
Рис. 5.33. Расширенная схема топливоподачи системы непосредственного впрыска:
Диагности
ческая лампа
Диагности
ческая колодка
Противоугон
ная блокировка
Шина CAN
23
24
1
184
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
185
Блок 23 управления двигателем рассчитывает оптимальное соотношение топлива и воздуха для следующих способов смесеобразования:
послойное распределение смеси;
образование бедной гомогенной смеси;
образование гомогенной смеси стехиометрического состава;
двойной впрыск топлива для разогрева нейтрализатора;
двойной впрыск топлива при работе двигателя на полной
нагрузке.
Расход воздуха в системах непосредственного впрыска может
определяться как с помощью расходомеров, так и без них. В приведенной системе он рассчитывается блоком управления двигателем с использованием сигналов датчика температуры воздуха 24
на впуске в двигатель, датчика давления 18 во впускном трубопроводе, датчика частоты вращения 14 коленчатого вала, датчика положения дроссельной заслонки, датчика фаз 5 и датчика атмосферного давления, расположенного в корпусе блока управления.
Для снижения выбросов оксидов азота в двигателях с непосредственным впрыском применяется рециркуляция отработавших
газов. Чтобы обеспечить перепуск отработавших газов на границе
бесперебойной работы двигателя, рассчитывается их количество,
при этом используются:
сигнал датчика 18 давления во впускном трубопроводе;
сигнал датчика 24 температуры воздуха во впускном трубопроводе;
сигнал датчика атмосферного давления в блоке управления
двигателем (для определения противодавления в выпускной системе);
сигнал датчика температуры выпускных газов;
рассчитанная нагрузка двигателя.
При перепуске отработавших газов повышается давление воздуха во впускном трубопроводе. Датчик давления воздуха во
впускной системе измеряет его величину и направляет сигнал соответствующего напряжения в блок управления двигателем. Этот
сигнал используется для определения суммарной массы воздуха
и отработавших газов, поступающей в двигатель. Из этой массы
вычитается масса свежего воздуха, соответствующая нагрузке двигателя, для получения массы перепускаемых газов.
186
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
Чтобы повысить крутящий момент при низких частотах вращения коленчатого вала, система выпуска раздваивается в ее передней части. При этом на каждой приемной трубе устанавливается отдельный предварительный нейтрализатор 7.
Предварительные нейтрализаторы образуют с приемными трубами неразъемные конструкции. Перед нейтрализаторами установлены широкополосные датчики 6 кислорода, которые служат
для определения состава бензовоздушной смеси. После нейтрализаторов расположены датчики 8 кислорода со скачкообразной характеристикой, позволяющие определять эффективность очистки
отработавших газов. Приемные трубы соединяются перед общим
нейтрализатором NОx 10 накопительного типа. В накопительном
нейтрализаторе собираются оксиды азота, образующиеся в избыточном количестве при работе двигателя на бедной смеси.
Установленный за нейтрализатором датчик 9 оксида азота служит для определения степени его насыщения. По его сигналу запускается процесс регенерации накопительного нейтрализатора.
Для подачи топлива к насосу высокого давления внутри топливного бака установлен электрический подкачивающий насос.
Он подает к насосу высокого давления только то количество топлива, которое необходимо впрыснуть в цилиндры двигателя в зависимости от его мощности, вследствие чего снижается расход
электроэнергии на привод насоса. Блок управления электронасосом в соответствии с нагрузкой двигателя изменяет подачу топлива в систему низкого давления в пределах от 30 до 180 л/ч при
постоянном давлении 4 кгс/см2. При пуске холодного или горячего двигателя производительность насоса кратковременно повышается, а давление в системе увеличивается с 4 до 5 кгс/см2. Подкачивающий электронасос включается блоком управления бортовой
сетью при открывании двери водителя, благодаря чему своевременно повышается давление в топливной системе.
Электрические насосы для системы непосредственного впрыска могут быть как одноступенчатыми, аналогичными описанным
выше, так и двухступенчатыми (рис. 5.34)
Насосное колесо первой (предварительной) ступени 9 всасывает топливо из придонной зоны бака и нагнетает его в колодец
насоса 3, что позволяет использовать практически все топливо из
бака. На насосное колесо второй (главной) 8 ступени топливо по-
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
187
Рис. 5.34. Электрический гидродинамический топливный насос:
6
5
7
4
8
3
9
2
1
10
11
1 — сторона впуска главной ступени;
2 — сторона нагнетания предварительной ступени; 3 — колодец; 4 —
перелив топлива; 5 — возврат топлива; 6 — сторона нагнетания главной
ступени; 7 — сторона впуска главной
ступени; 8 — насосное колесо главной ступени; 9 — насосное колесо
предварительной ступени; 10 — сторона впуска предварительной ступени; 11 — топливный бак
ступает непосредственно из колодца 3. Колодец с насосными колесами и погружным датчиком уровня топлива опирается на днище бака, с которым он соединен посредством фиксаторов. Доступ
ко всем деталям осуществляется после снятия крышки колодца.
Топливный насос высокого давления установлен на корпусе
распределительных валов и приводится от двойного кулачка на
впускном распределительном валу (рис. 5.35).
Предназначен для создания в топливной системе давления до
100 кгс/см2. По конструкции представляет собой регулируемый
по подаче одноплунжерный насос высокого давления (рис. 5.36).
Насос подает в распределитель топлива только то количество
топлива, которое должно быть впрыснуто в соответствии с многопараметровой характеристикой. Благодаря этому снижается мощность, затрачиваемая на его привод, и соответственно уменьшается
расход топлива двигателем.
Процесс наполнения. Плунжер 10 насоса перемещается вниз
под действием возвратной пружины 11. При этом увеличивается
объем надплунжерного пространства, в результате чего давление
здесь падает. Превышение давления топлива в системе низкого
давления над давлением в надплунжерном пространстве приводит
к открытию впускного клапана 6 и перетеканию топлива в надплунжерное пространство. При этом нагнетательный клапан остается
188
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
3
4
2
5
7
6
1
8
9
Рис. 5.35. Привод ТНВД системы непосредственного впрыска
и основные детали системы питания:
1 — распределительный вал; 2 — четырехгранный кулачок; 3 — топливный
насос высокого давления; 4 — регулировочный клапан давления топлива; 5 —
роликовый толкатель; 6 — рампа; 7 — трубопровод от топливного бака; 8 —
датчик давления топлива; 9 — электромагнитная форсунка впрыска топлива
закрытым, так как давление топлива в системе высокого давления
превышает его величину в надплунжерном пространстве.
Процесс подачи. При движении плунжера вверх давление в пространстве над ним возрастает, в результате чего впускной клапан 6
закрывается. При превышении давления в надплунжерном пространстве над давлением в распределителе топлива открывается
нагнетательный клапан 1, и топливо вытесняется в распределитель.
Регулирование давления топлива. Если давление топлива повысилось до требуемого значения, подается ток в обмотку регулирующего клапана 9, вызывая перемещение его иглы под действием
магнитного поля. При этом открывается проход топливу во впускную полость, в результате чего давление в надплунжерном пространстве снижается и нагнетательный клапан 1 закрывается.
Встроенный в насос демпфер 3 служит для сглаживания резких
скачков давления, возникающих при открывании регулирующего
клапана, и подавления колебаний в системе низкого давления.
189
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
3
4
5
6
2
7
8
9
1
12
10
11
Рис. 5.36. Топливный насос высокого давления непосредственного
впрыска:
1 — нагнетательный клапан; 2 — подвод топлива; 3 — демпфер; 4 — пружина
демпфера с тарелкой; 5 — мембрана; 6 — впускной клапан; 7 — надплунжерное пространство; 8 — игла клапана; 9 — регулирующий клапан; 10 — плунжер; 11 — пружина плунжера; 12 — канал отвода топлива
При открытой игле 8 регулирующего клапана небольшое количество топлива направляется для смазки плунжера и отводится
затем через канал 12 в топливный бак.
Форсунка. Конструкция форсунки электронной системы непосредственного впрыска аналогична конструкции электронной
форсунки впрыска во впускной трубопровод (рис. 5.37).
При подаче напряжения на обмотку электромагнита форсунки
вокруг нее создается магнитное поле. Оно втягивает в себя якорь
электромагнита с иглой форсунки, которая поднимается с седла
и топливо впрыскивается в цилиндр двигателя. При падении подаваемого на обмотку электромагнита напряжения магнитное поле
исчезает, а игла распылителя прижимается пружиной к своему
седлу и впрыск топлива прекращается.
Управляющее напряжение подается на форсунки через электронный коммутатор в блоке управления двигателем. Чтобы обе-
190
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
5
6
4
2
3
2
1
Рис. 5.37. Форсунка электронной системы непосредственного впрыска:
1 — тефлоновое уплотнение; 2 — игла; 3 — якорь электромагнита; 4 — катушка
возбуждения; 5 — сетчатый фильтр; 6 — холостой ход якоря электромагнита
спечить быстрое открытие форсунки, после фазы предварительного
намагничивания малым током на ее обмотку подается напряжение
порядка 90 В. При этом напряжении ток в обмотке достигает 10 А.
После открытия форсунки на нее подается напряжение 30 В при
токе в обмотке 3...4 А, что является достаточным для удержания
иглы в открытом состоянии.
Для снижения энергопотребления в форсунках системы непосредственного впрыска применяется холостой ход якоря электромагнита. Холостой ход якоря реализован в результате отделения
от него иглы форсунки. При протекании тока по обмотке возбуждения сначала втягивается якорь, преодолевающий при этом начальное усилие его удерживания, а затем с определенной задержкой он захватывает и увлекает за собой иглу форсунки.
191
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
а
б
4
5
3
9
10
2
1
6
8
7
6
Рис. 5.38. Система специальных вспомогательных заслонок:
а — вакуумный привод; б — электрический привод; 1 — обратный клапан;
2 — клапан управления приводом заслонок; 3 — вакуумный клапан привода
заслонок; 4 — потенциометр; 5 — нижняя часть впускной системы; 6 — вспомогательные заслонки; 7 — верхняя часть впускной системы; 8 — вакуумный
ресивер; 9 — электродвигатель; 10 — шатунный толкатель
Для увеличения скорости потока воздуха во впускных трубопроводах, кроме описанных в п. 2.4.2, применяются специальные
вспомогательные заслонки для каждого цилиндра во впускном
трубопроводе, разделяющие его на две части. Заслонки служат для
управления потоками воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, в зависимости от режимов работы двигателя. Привод заслонок
может осуществляться с помощью вакуумного (рис. 5.38, а) или
электрического (рис. 5.38, б) привода. В последнем заслонки поворачиваются с помощью шатунного толкателя электродвигателем,
управляемого блоком управления двигателя.
Датчик давления топлива (рис. 5.39) устанавливается в распределительном трубопроводе. Сигнал датчика используется в блоке
управления двигателем для регулирования давления топлива в контуре высокого давления по многопараметровой характеристике.
Топливо внутрь датчика поступает из распределительного трубопровода. Под действием давления стальная мембрана датчика
прогибается. Если давление небольшое, прогиб мембраны будет незначителен. Сопротивление тензорезисторов при этом наибольшее,
192
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
а напряжение на выходе датчика небольшое. При высоком давлении топлива мембрана датчика прогибается на значительную величину. В результате сопротивление тензорезисторов снижается, а напряжение на выходе датчика увеличивается.
Снимаемое с тензорезисторов напряжение усиливается электронной схемой и
направляется на вход блока управления
двигателем. Изменение давления в распределительном трубопроводе производится посредством регулятора давления.
Регулятор давления топлива (рис. 5.40)
устанавливается в системе для поддержания необходимого давления в распределительном трубопроводе независимо
от расхода топлива через форсунки и от
его подачи насосом высокого давления.
С его помощью распределительный трубопровод сообщается со сливной магистралью, через которую топливо возвращается в бак. Он может устанавливаться
как на топливном насосе высокого давления, как было описано выше, так и отдельно.
4
3
2
1
Рис. 5.39. Датчик давления топлива:
1 — штуцер подвода топлива; 2 — стальная мембрана
с терморезисторами; 3 —
электронная схема; 4 —
электрический разъем
2
1
3
Рис. 5.40. Регулятор давления
топлива:
4
5
9
8
7
6
1 — электрический разъем; 2 — пружина сжатия; 3 — катушка возбуждения;
4 — якорь электромагнита; 5 — сливная
магистраль; 6 — сливное отверстие;
7 — запорный шарик; 8 — седло; 9 —
подвод топлива
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
193
Блок управления двигателем подает на обмотку регулятора
широтно-импульсный сигнал, изменяемый при отклонении давления в распределительном трубопроводе от заданного значения.
Под действием магнитного поля якорь электромагнита 4 вместе
с запорным шариком 7 поднимается с седла, открывая путь топливу в сливную магистраль. Чем больше ширина импульсов, тем
шире проход в регуляторе и больше сливается топлива из распределительного трубопровода.
В обесточенном состоянии шарик закрыт. В результате этого
в системе постоянно поддерживается высокое давление топлива.
Для защиты компонентов топливной системы от чрезмерного давления предусмотрена пружина 2, удерживающая шарик в закрытом состоянии до давления 120 кгс/см2. При превышении этого
давления шарик открывается.
Принцип работы системы непосредственного впрыска. Поршни
двигателей, оборудованных системами непосредственного впрыска,
имеют специальную конструкцию с характерными углублениями 6
на днище (рис. 5.41). Углубление специальной формы позволяет
факелу впрыскиваемого топлива закручиваться в турбулентной
массе воздуха и подавать топливную смесь непосредственно к очагу воспламенения — свече зажигания. При подобной схеме смесеобразования на днище поршня нет нераспыленного топлива, так
а
2
3
4
1
б
5
8
6
в
7
Рис. 5.41. Смесеобразование
в камере сгорания двигателя
с непосредственным впрыском
бензина:
а — начало впрыска; б — середина
впрыска; в — конец впрыска; 1 —
поршень; 2 — свеча; 3 — форсунка;
4 — факел топлива в начале впрыска; 5 — факел топлива в середине
впрыска; 6 — углубление в днище
поршня; 7 — факел топлива в конце
впрыска; 8 — направление движения поршня
194
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
Среднее эффективное давление, бар
14
Гомогенная смесь
12
10
Гомогенная смесь с рециркуляцией ОГ
8
6
4
2
0
Бедная гомогенная
смесь
Послойная
бедная смесь
1000
2000
3000
4000
5000
Частота вращения, об/мин
6000
7000
Рис. 4.42. Режимы работы двигателя Audi А3 на различных смесях
как сильный поток воздуха снимает и распыливает те капли топлива, которые образовались при начальной стадии впрыска.
Применяются четыре способа смесеобразования (рис. 5.42),
позволяющие получить:
бедную послойную смесь с добавкой отработавших газов;
бедную гомогенную смесь без добавки отработавших газов;
гомогенную стехиометрическую смесь с добавкой отработавших газов;
гомогенную стехиометрическую смесь без добавки отработавших газов.
Работа двигателя на гетерогенной смеси (послойное смесеобразование). Топливовоздушная смесь является сверхбедной, с соотношением бензина и воздуха до 1:40. Этот режим характерен для небольших нагрузок при скорости движения автомобиля до 120 км/ч.
При работе двигателя на режимах небольших нагрузок закрываются заслонки 2, перекрывающие нижние части впускных каналов, разделенных пластиной 5 (рис. 4.43). В результате этого поступающий в цилиндры двигателя воздух направляется только через
верхние части впускных каналов, закручивая воздушную массу
внутри цилиндров.
Вращательное движение воздуха в цилиндре (продольный
вихрь) поддерживается благодаря специальной форме выемки
в поршне и усиливается в результате перемещения поршня к ВМТ.
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
195
Рис. 5.43. Система непосредственного впрыска (FSI) Volkswagen .
(подача воздуха):
1
2 3
4
5
1 — дроссельная заслонка; 2 — вспомогательная заслонка во впускном
канале; 3 — форсунка; 4 — верхняя
часть потока воздуха; 5 — разделительная пластина
Топливо впрыскивается на такте сжатия незадолго до момента
искрообразования под высоким давлением (40...110 кгс/см2), а затем
подхватывается воздушным потоком, который сносит способную
к воспламенению смесь в направлении свечи зажигания (рис. 5.44).
Поршень с помощью своего профилированного днища направляет топливную струю в зону электродов свечи зажигания, а вихрь
быстро перемешивает пары бензина и воздуха и, что особенно
важно, удерживает облачко бензовоздушной смеси возле свечи зажигания. Форсунка, расположенная под углом 45°, распыливающая топливо на более мелкие капли, чем в системе впрыска во
впускной трубопровод, вследствие более высокого давления впрыска придает распыленному топливу направленное вращение, что
способствует быстрому его испарению.
Поскольку факел топлива сплющен, он практически не соприкасается с днищем поршня и стенками цилиндра и камеры сгорания (рис. 5.45). В данном случае говорят о смесеобразовании в так
называемой «воздушной оболочке».
Рис. 5.44. Впрыск топлива
при образовании гетерогенной
смеси:
1
2
3
1 — форсунка; 2 — топливная выемка
поршня; 3 — аэродинамическая выемка
поршня
196
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
1
1
Рис. 5.45. Преобразование факела
топлива после впрыска:
Рис. 5.46. Процесс сгорания
топлива при гетерогенной смеси:
1 — зона смесеобразования
1 — зона горения
В зоне свечи зажигания возникает концентрированное облако
способной к воспламенению смеси, в то время как в остальных зонах камеры сгорания топливо отсутствует (рис. 5.46). Воздух, располагаясь вдоль стенок цилиндра и днища поршня, ввиду низкой
теплопроводности образует изолирующий слой, уменьшает тепловые потери и, соответственно, увеличивает КПД. Прослойка воздуха возле стенок сгорания обеспечивает также высокую стойкость
рабочего процесса против детонационного сгорания рабочей смеси
и позволяет исключить отложение продуктов сгорания на стенках
цилиндров и камеры сгорания, помогая избавиться от калильного
зажигания и снизить абразивный износ поршневых колец.
Работа двигателя на гомогенной смеси (традиционное смесеобразование). При плавном увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя и высоких скоростях движения автомобиля
подача топлива переключается на мощностной режим работы двигателя, и состав смеси становится близким к стехиометрическому
1 : 14,7. На этих режимах топливо впрыскивается во время наполнения цилиндра воздухом (рис. 5.47). Испаряющееся топливо охлаждает воздух в цилиндре, что улучшает его наполнение, а также снижает вероятность возникновения детонации. Это позволяет применить более высокую степень сжатия, а значит, и высокую мощность
двигателя.
Работа двигателя на гомогенной смеси осуществляется при частично открытых заслонках во впускных каналах, причем эти за-
197
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
1
1
Рис. 5.47. Впрыск топлива
при образовании гомогенной смеси:
Рис. 5.48. Процесс сгорания
топлива при гомогенной смеси:
1 — форсунка
1 — зона горения
слонки управляются электронной системой в зависимости от режима его работы.
При частичных нагрузках и в среднем диапазоне частот вращения вспомогательная заслонка закрыта, в результате чего входящий
в цилиндр поток воздуха закручивается, улучшая смесеобразование. По мере увеличения нагрузки и частоты вращения поступление воздуха только через верхнюю часть впускного канала оказывается недостаточным. Поэтому заслонку поворачивают, открывая
нижнюю часть впускного канала.
Гомогенная смесь образуется при впрыске топлива на такте
впуска, а не на такте сжатия, как это имеет место при образовании
гетерогенной смеси, что увеличивает время для образования смеси.
При этом сгорание происходит во всем объеме камеры сгорания при полном отсутствии изолирующих слоев чистого воздуха
и без добавки рециркулируемых отработавших газов (рис. 5.48).
Помимо применявшихся ранее способов образования послойной или гомогенной бедной и стехиометрической смесей, сегодня
используются еще два способа смесеобразования. Это двойной
впрыск для разогрева нейтрализатора и двойной впрыск при работе с полной нагрузкой. Данные способы смесеобразования позволяют ускорить разогрев нейтрализатора и повысить крутящий момент в диапазоне низких частот вращения коленчатого вала.
Двойной впрыск для разогрева нейтрализатора. При работе двигателя на гомогенной смеси ускоряется разогрев нейтрализатора
до рабочей температуры. Помимо этого, при прогреве увеличивается
198
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
равномерность работы двигателя и снижается выброс углеводородов. Это способствует уменьшению выбросов с отработавшими газами и повышению экономичности.
Первый впрыск производится на такте впуска приблизительно
за 300° до ВМТ конца сжатия (рис. 5.49). Благодаря этому во всем
объеме цилиндра образуется однородная смесь топлива с воздухом.
В процессе второго впрыска в цилиндр дополнительно подается
относительно небольшая порция топлива приблизительно за 60°
до ВМТ конца сжатия (рис. 5.50). Эта порция топлива сгорает с большим запозданием, поэтому температура отработавших газов повышается. В результате более горячие газы быстрее разогревают нейтрализатор и обеспечивают достижение его рабочей температуры
за более короткое время.
При работе двигателей с непосредственным впрыском бензина
с полной нагрузкой на частотах вращения до 3000 об/мин наблюдается нежелательное неравномерное распределение смеси в цилиндрах. В связи с этим при интенсивном разгоне и максимальной
мощности для увеличения крутящего момента подача топлива переключается на режим двухстадийного впрыска. Первый впрыск,
содержащий две трети от суммарной дозы топлива, производится
на такте впуска приблизительно за 300° до ВМТ конца сжатия.
Первая порция, подаваемая во время такта впуска, перемешиваясь
с воздухом и охлаждая его, создает в цилиндрах однородную сверхобедненную смесь (состав смеси 60 : 1) (рис. 5.51).
Первый
впрыск
Рис. 5.49. Процесс первого
впрыска для разогрева .
нейтрализатора
Второй
впрыск
Рис. 5.50. Процесс второго
впрыска для разогрева .
нейтрализатора
5.3. Электронные системы непосредственного впрыска
199
Оставшаяся третья часть топлива впрыскивается в зону искрового заряда в начале такта сжатия (состав смеси 12 : 1) (рис. 5.52),
благодаря чему снижается количество топлива, попадающего на
стенки цилиндра. Однородность смеси повышается за счет практически полного испарения топлива. Тем не менее в зоне свечи
зажигания образуется более богатая смесь, чем на периферии камеры сгорания. Это улучшает процесс сгорания и снижает вероятность возникновения детонации.
При работе двигателя на двухстадийном впрыске приоткрывается заслонка, запирающая второй прямой впускной канал. Поток
воздуха, устремляющийся по этому каналу в цилиндр, разрушает
расслоение, в результате чего на режиме максимальной мощности
топливовоздушная смесь становится гомогенной. Применение
двухстадийного впрыска и богатой смеси увеличивает крутящий
момент двигателя на 55 %.
Система центрального впрыска позволяет повысить степень
сжатия, что улучшает экономичность (на 15...20 %) при общем
снижении выбросов токсичных веществ на 20 %, а также повышает мощность и крутящий момент на 10 % во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала.
Основным недостатком систем центрального впрыска является большое содержание оксидов азота, образующихся при высоких
температурах цикла в режимах работы на бедных смесях. Снижение
количества оксидов азота производится по двум направлениям: рециркуляцией отработавших газов (на 30 %) и нейтрализацией.
Первый
впрыск
Второй
впрыск
Рис. 5.51. Процесс первого
впрыска при полной нагрузке
Рис. 5.52. Процесс второго
впрыска при полной нагрузке
200
Глава 5. Системы впрыска бензиновых двигателей
Кроме обычного трехкомпонентного нейтрализатора, для разложения оксидов азота применяют специальный фильтр-накопитель,
задерживающий оксиды азота, с покрытием из бария или иридия.
Как только фильтр-накопитель начинает переполняться, блок управления кратковременно переводит работу двигателя на режим обогащенной смеси, что повышает температуру отработавших газов.
При этом «связанные» барием или иридием молекулы NOx высвобождаются и разлагаются на кислород и азот. Частота очищения
фильтра-накопителя зависит от режима работы двигателя и не
превышает нескольких секунд в течение каждой минуты работы
двигателя. Кроме того, для работы двигателя с непосредственным
впрыском необходимо топливо с минимальным содержанием серы,
чтобы не повредить нейтрализатор.
Недостатками непосредственного впрыска являются также смачивание стенок цилиндров впрыскиваемым топливом, которое вызывает срыв масляной пленки, образование несгоревших углеводородов в зоне сгорания сверхбедных смесей, устранение которых
требует специальных мер.
ГЛАВА
6
ДИЗЕЛЬНАЯ ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА
К системе питания дизелей относятся топливо- и воздухоподводящая аппаратура, выпускной газопровод и глушитель шума отработавших газов.
В четырехтактных дизелях широкое распространение получила
топливоподводящая аппаратура разделенного типа, в которой топливный насос высокого давления и форсунки конструктивно выполнены отдельно и соединены топливопроводами. Топливо подается по двум основным магистралям: низкого и высокого давления.
Механизмы и узлы магистрали низкого давления предназначены
для хранения топлива, его фильтрации и подачи под малым давлением к насосу высокого давления. Механизмы и узлы магистрали
высокого давления обеспечивают подачу и впрыскивание необходимого количества топлива в цилиндры двигателя.
В настоящее время для питания дизельных двигателей легковых автомобилей применяются следующие топливные системы:
системы питания с топливными насосами высокого давления, имеющими рядное расположение плунжерных пар, без электронного управления;
системы питания с топливными насосами высокого давления, имеющими рядное расположение плунжерных пар, с электронным управлением;
системы питания с одноплунжерными распределительными
топливными насосами высокого давления без электронного управления фирм Bosch и Lucas;
системы питания с одноплунжерными распределительными
топливными насосами высокого давления с электронным управлением фирм Bosch и Lucas;
аккумуляторные топливные системы с электронным управлением Common Rail;
202
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
топливные
системы с насосами-форсунками;
системы насос — форсунка — трубопровод;
газодизельные топливные системы.
топливные
6.1. Общие положения
Развитие систем питания дизельных двигателей с электронным
управлением связано главным образом с экологическими нормами,
принятыми в большинстве развитых стран мира. По европейским
стандартам выбросы токсичных веществ и твердых частиц дизельными двигателями имеют тенденцию к резкому снижению.
В борьбе за снижение токсичности отработавших газов конструкторы столкнулись с серьезной проблемой: большинство изменений рабочего процесса дизеля снижает выбросы лишь одного
из вышеназванных двух компонентов, и выполнение экологических норм не может быть достигнуто регулировками или изменением параметров дизеля. Например, увеличение опережения угла
впрыска уменьшает эмиссию твердых частиц, но повышает выбросы
окислов азота. Разрешить эту проблему позволило высокое давление впрыска и электронное управление системой подачи топлива.
Благодаря повышению давления впрыска улучшается распыление
топлива, что способствует более быстрому и полному его сгоранию. Это объясняет, почему почти 60 лет (с 1927 по 1985 г.) максимальное давление впрыска составляло 200...500 кгс/см2, а в последние 15 лет возросло до 2000 кгс/см2.
Топливные системы с механическими регуляторами постепенно
снимаются с производства. Переход на новый уровень давления
и электронное управление потребовал пересмотра традиционных
конструкций. В ряду распределительных насосов высокого давления самая популярная в мире модель Bosh-VE, ведущая историю
с 1976 г., вытесняется более современными электроуправляемыми
ТНВД фирм Bosch, Lucas и др.
Ведущие производители заменили механические регуляторы
Уатта электронными, характеризующимися гибкостью управления,
самодиагностикой, использованием резервных программ. Появились и собственные опции: питание каждого цилиндра в соответствии с его техническим состоянием и особенностями изготовления,
6.1. Общие положения
203
отключение цилиндров, управление параметрами впрыска и др.
Фирма Bosch уже к 2006 г. сократила долю распределительных насосов до 15 %; ранее не выпускавшиеся электроуправляемые на
сосы-форсунки и индивидуальные ТНВД составляют 19 % всего
объема, а 62 % объема выпуска приходится на системы постоянного
давления Common Rail. Электронное управление позволяет на всех
режимах работы дизеля гибко изменять величину подачи, давление и опережение впрыска. В итоге снижаются количество вредных выбросов, шумность, расход топлива, улучшается пуск дизеля,
автомобиль становится более скоростным и динамичным.
В настоящее время критериями совершенства топливоподачи
являются показатели экономичности, мощности и шумности работы, динамичности транспортного средства, надежности пуска, выбросов токсичных веществ, коэффициент приспособляемости, соблюдение ограничений по давлению в цилиндре, жесткости сгорания,
тепловым нагрузкам, температуре газов перед турбиной и др.
Для обеспечения заданных показателей к системам питания
предъявляется комплекс требований:
гибкое регулирование цикловой подачи в соответствии с заданным скоростным режимом двигателя;
необходимая внешняя скоростная характеристика (не обязательно жестко заданная);
минимальная неравномерность подачи по цилиндрам или,
напротив, оптимальная неравномерность подачи и угла опережения впрыска для каждого цилиндра в соответствии с особенностями его конструкции, изготовления и текущего технического состояния;
оптимальное регулирование угла опережения впрыска в соответствии с режимом работы;
автоматизация пуска, необходимое обогащение при пуске,
выключение подачи на принудительном холостом ходу, регулирование на переходных режимах;
отключение цилиндров и циклов на частичных режимах;
диагностирование датчиков и исполнительных устройств
и компенсация выбывших из строя с помощью резервных программ.
Эти требования обусловили самое широкое применение достижений микроэлектроники и вычислительной техники для управ-
204
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
ления ДВС, что в ряде случаев позволило осуществить управление
на программно-адаптивном уровне, т.е. реализовать регулирование
с обратной связью. В качестве примера можно привести способность некоторых блоков управления поддерживать стабильными
выходные параметры при изменении свойств системы в процессе
эксплуатации.
6.2. Электронные системы управления
рядными ТНВД
Общий вид рядного ТНВД с электронным управлением показан на рис. 6.1.
6
7
1
8
2
3
4
5
9
10
11
12
Рис. 6.1. Рядный ТНВД с электронным управлением:
1 — гильза; 2 — втулка управления; 3 — рейка подачи топлива; 4 — плунжер;
5 — кулачковый вал; 6 — электромагнитный клапан начала подачи топлива;
7 — вал управления регулирующей втулкой; 8 — электромагнитный регулятор количества топлива; 9 — индуктивный датчик положения рейки; 10 — вилочное соединение; 11 — диск; 12 — топливоподкачивающий насос
6.2. Электронные системы управления рядными ТНВД
205
Как и в обычном рядном ТНВД, оснащенном механическим
регулятором, количество впрыскиваемого топлива является функцией положения управляющей рейки 3 подачи топлива и частоты
вращения вала привода ТНВД. Управление рейкой осуществляется
с помощью специального электромагнитного регулятора 8 количества топлива, присоединенного непосредственно к ТНВД. Электромагнитный регулятор состоит из катушки и сердечника, воздействующего на рейку ТНВД. Положение рейки насоса определяется
индуктивным датчиком 9 положения рейки, закрепленным на ней.
В катушку электромагнитного регулятора, в зависимости от сигналов входных датчиков температуры двигателя, частоты вращения вала насоса, положения педали управления рейкой и др., от
блока управления поступает ток возбуждения различной величины. При этом сердечник регулятора, втягиваясь магнитным полем,
воздействует на рейку насоса, преодолевая усилие пружины и изменяя количество впрыскиваемого топлива. С повышением силы
тока, поступающего от блока управления, сердечник, втягиваясь
на большую величину и воздействуя на рейку, увеличивает подачу
топлива. При отключении соленоида пружина прижимает рейку
в положение остановки двигателя и прекращает подачу топлива.
На кулачковом валу ТНВД устанавливается зубчатый диск 11,
который при вращении подает импульсы на индуктивный измерительный преобразователь. Электронный блок управления использует импульсные интервалы для вычисления частоты вращения
коленчатого вала двигателя.
Датчик положения рейки (рис. 6.2) подает сигналы для различных устройств на двигателе и автомобиле:
о моменте переключения передач — для гидравлической коробки передач;
для подачи максимальной порции топлива, скоординированной с давлением наддува для соблюдения норм на дымность отработавших газов;
о нагрузке как указание момента переключения — для переключения передач в механической коробке передач;
для измерения расхода топлива;
для запуска рециркуляции отработавших газов;
диагностики и др.
206
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
5
6
7
4
8
3
2
1
9
Рис. 6.2. Датчик положения рейки:
1 — контрольная катушка; 2 — сердечник; 3 — короткозамкнутый подвижный
контур; 4 — рейка; 5 — лыска; 6 — возвратная пружина; 7 — измерительная
катушка; 8 — магнитопровод; 9 — неподвижный контур
Датчик состоит из пластинчатого стального сердечника 2 с двумя
наружными открытыми концами. На одном конце закреплена измерительная катушка 7, которая запитывается переменным током
10 кГц, на другом конце — контрольная катушка 1. Короткозамкнутый подвижный контур 3, предназначенный для регистрации
хода рейки, крепится к ней. Датчик хода рейки соединен с блоком
управления.
Принцип работы датчика состоит в том, что короткозамкнутый
неподвижный контур 9, окружающий конец сердечника, экранирует переменное магнитное поле (индукцию), вырабатываемое
контрольной катушкой 1. Распространение магнитного поля ограничивается пространством между катушкой и короткозамкнутым
кольцом. Поскольку короткозамкнутое подвижное кольцо перемещается вместе с рейкой и изменяет свое положение относительно
измерительной катушки, магнитное поле, воздействующее на измерительную обмотку, изменяется. Реагирующая цепь преобразует
отношение индукции измерительной катушки 7 к индукции контрольной катушки 1 в отношение напряжений, которые пропорцио-
6.2. Электронные системы управления рядными ТНВД
207
нальны ходу рейки. Величина измеряемого напряжения постоянно
сравнивается с величиной напряжения контрольной катушки.
Датчик информирует о текущем положении рейки с точностью
0,2 мм.
Электронный блок управления сравнивает частоту вращения
и другие параметры работы двигателя с целью определения оптимального количества подаваемого топлива (выражаемого как функция положения рейки). С помощью электронного контроллера
сравнивается положение рейки насоса с конкретной точкой для
определения значения тока возбуждения соленоида, который сжимает возвратную пружину. Если отклонения определяются, регулируется ток возбуждения, обеспечивая смещение рейки насоса
к более точному положению.
Подача топлива к форсункам принципиально не отличается от
подачи топлива в механических ТНВД. Однако в насосах с электронным управлением отсутствует муфта опережения впрыска
и угол опережения впрыска определяется по сигналам, подаваемым от блока управления в электромагнитный клапан начала подачи топлива. В зависимости от величины силы тока, поступающего в катушку электромагнитного клапана 6 начала подачи топлива
(см. рис. 6.1), его сердечник, преодолевая сопротивление пружины, втягивается в катушку на определенную величину, поворачивая при этом вал управления 7 регулирующей втулкой. В свою
очередь, вал управления связан с втулкой управления. При повороте вала управляющая втулка может приподниматься или опускаться. При обесточивании электромагнитного клапана вал под
воздействием пружины переводит втулки в верхнее положение
(поздний впрыск).
Начало подачи может регулироваться при изменении положения втулок в пределах до 40° поворота коленчатого вала.
Принцип работы прецизионных деталей гильзы, плунжера
и управляющей втулки показан на рис. 6.3.
Плунжер, кроме обычной спиральной канавки, изменяющей
подаваемую к форсункам порцию топлива, имеет распределительное отверстие 6, которое может быть закрыто или открыто управляющей втулкой 4. При движении плунжера вниз топливо поступает в надплунжерное пространство.
При движении плунжера 7 вверх до тех пор, пока распределительное отверстие 6 находится в полости всасывания камеры 12
208
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
а
б
в
г
1
2
3
4
5
6
11
12 h
1
h2
h3
7
8
9
10
Рис. 6.3. Принцип работы плунжерной пары с управляющей втулкой:
a — НМТ плунжера; б — начало подачи топлива; в — завершение подачи топлива; г — ВМТ плунжера; h1 — предварительный ход; h2 — полезный ход;
h3 — холостой ход; 1 — нагнетательный клапан; 2 — полость высокого давления; 3 — втулка плунжера; 4 — управляющая втулка; 5 — винтовая канавка
плунжера; 6 — распределительное отверстие в плунжере; 7 — плунжер; 8 —
пружина плунжера; 9 — роликовый толкатель; 10 — кулачок; 11 — разгрузочное отверстие; 12 — камера низкого давления
низкого давления, давление в полости нагнетания 2 выравнивается с давлением во всасывающей полости через центральный канал
(рис. 6.3, а).
Как только распределительное отверстие 6 плунжера перекрывается кромкой управляющей втулки 4, полость всасывания и полость высокого давления разобщаются (рис. 6.3, б) и давление
в полости нагнетания начинает расти. После того как под воздействием высокого давления открывается нагнетательный клапан 1,
давление в трубопроводе высокого давления растет до величины
открытия иглы форсунки (начало впрыска).
Впрыск продолжается при движении плунжера вверх, пока
кромка винтовой канавки 5 не достигнет разгрузочного отверстия 11 (рис. 6.3, в) в управляющей втулке 4. После этого давление
6.2. Электронные системы управления рядными ТНВД
209
в полостях выравнивается и нагнетательный клапан 1 под воздействием пружины и давления топлива закрывается.
Регулирование начала впрыска топлива зависит от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки на двигатель и его температуры.
Изменение начала впрыска происходит одновременно во всех секциях насоса за счет поднятия или опускания управляющих втулок. Начало впрыска топлива определяется положением управляющей втулки, так как нагнетание может произойти только после
перекрытия распределительного отверстия 6 плунжера, в противном случае топливо через вертикальный канал и отверстие 6 начнет
вытесняться в камеру низкого давления 12 и давление в надплунжерном пространстве возрастать не будет. В момент перекрытия
отверстия 6 полость в надплунжерном пространстве становится
герметичной и давление топлива начинает резко возрастать, открывая при этом нагнетательный клапан. Если втулка находится выше
относительно отверстия 6 плунжера, впрыск начинается позже,
так как позже перекрывается окно плунжера. При более низком
положении втулки по отношению к окну плунжера перекрытие
его будет более ранним и впрыск начнется раньше. Ход втулки
составляет около 5,5 мм при изменении угла опережения впрыска
топлива 12° по углу поворота коленчатого вала.
Регулирование количества подаваемого топлива осуществляется, как и в обычных механических ТНВД, поворотом плунжера 7,
на котором распределительное отверстие 6 соединено с винтовой
канавкой 5 плунжера. Если плунжер повернут на небольшой угол,
количество подаваемого топлива будет малым, так как спиральная
канавка после закрытия распределительного отверстия 6 в плунжере управляющей втулкой очень быстро достигает разгрузочного
отверстия 11 втулки. При большем повороте плунжера подача топлива соответственно увеличивается.
Прекращение подачи топлива происходит при остановке двигателя. При этом плунжер устанавливается в такое положение, при
котором в любой позиции между мертвыми точками полости всасывания и нагнетания соединены через центральное отверстие
плунжера.
210
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
6.3. Одноплунжерные распределительные
топливные насосы высокого давления
Bosch VE
6.3.1. Топливные насосы без электронного
управления Bosch VE
Система топливоподачи дизеля с одноплунжерным распределительным топливным насосом с торцевым кулачковым приводом
плунжера действует следующим образом (рис. 6.4).
Топливо из бака 11 прокачивается по топливопроводу низкого
давления в топливный фильтр 10 тонкой очистки топлива, откуда
засасывается топливным насосом низкого давления и затем направляется во внутреннюю полость корпуса ТНВД 4, где создается
давление порядка 0,2...0,7 МПа. Далее топливо поступает в насос
ную секцию высокого давления и с помощью плунжера-распре
делителя в соответствии с порядком работы цилиндров подается
по топливопроводам 6 высокого давления в форсунки 8, в результате чего впрыскивается в камеру сгорания дизеля. Избыточное
топливо из корпуса ТНВД, форсунки и топливного фильтра (в некоторых конструкциях) сливается по топливопроводам 7 обратно
в топливный бак. Охлаждение и смазка ТНВД осуществляются
циркулирующим в системе топливом. Фильтр тонкой очистки топлива имеет важное значение для нормальной и безаварийной работы ТНВД и форсунки. Поскольку плунжер, втулка, нагнетательный
клапан и элементы форсунки являются деталями прецизионными,
топливный фильтр должен задерживать мельчайшие абразивные
частицы размером 3...5 мкм. Важной функцией фильтра является
также задержание и выведение в осадок воды, содержащейся в топливе. Попадание влаги во внутреннее пространство насоса может
привести к выходу его из строя по причине коррозии.
Форсунка. Форсунка (рис. 6.5) состоит из корпуса 2, распылителя 5 с иглой, пружины 11 и регулировочной шайбы 9. Игла форсунки свободно перемещается в пределах направляющего канала
распылителя и в то же время обеспечивает герметизацию в условиях высокого давления впрыска. В нижней части иглы имеется
коническое уплотнение. Пружиной форсунки игла прижимается
211
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
2
3
1
5
4
6
8
7
9
10
11
15
12
16
13
14
Рис. 6.4. Принципиальная схема системы топливоподачи дизельного
двигателя с одноплунжерным ТНВД:
1 — топливопровод низкого давления; 2 — тяга; 3 — педаль подачи топлива;
4 — ТНВД; 5 — электромагнитный клапан; 6 — топливопровод высокого давления; 7 — топливопровод сливной магистрали; 8 — форсунка; 9 — свеча накаливания; 10 — топливный фильтр; 11 — топливный бак; 12 — топливоподкачивающий насос (применяется при магистралях большой протяженности);
13 — аккумуляторная батарея; 14 — замок «зажигания»; 15 — блок управления временем включения свечей накаливания; 16 — двигатель
к соответствующей по форме уплотняющей поверхности корпуса
распылителя, когда форсунка находится в закрытом положении.
Конические поверхности корпуса распылителя и иглы обеспечивают контакт с высоким удельным давлением и эффективной
герметизацией.
Форсунка открывается, когда сила от давления на конические
поверхности иглы (давление топлива) превышает силу пружины
форсунки. Ввиду того что в результате поднятия иглы происходит
резкий рост силы, действующей на нее с учетом увеличения поверхности, на которую воздействует топливо под высоким давлением, это сопровождается увеличением подачи топлива вследствие
212
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
6
1
7
2
8
9
10
3
11
12
4
Рис. 6.5. Форсунка:
1 — канал входа топлива; 2 — корпус форсунки;
3 — корпус крепления распылителя; 4 — промежуточный элемент; 5 — распылитель форсунки;
6 — гайка топливопровода высокого давления;
7 — фильтр; 8 — штуцер возврата топлива; 9 —
регулировочная шайба; 10 — канал подвода топлива к распылителю; 11 — нажимная пружина;
12 — нажимной палец
5
ускорения открытия иглы. Она останется открытой до тех пор,
пока величина давления в системе не снизится до величины ниже
давления открытия.
Величина давления начала открытия (около 110...140 кгс/см2
для штифтовых форсунок и 150...250 кгс/см2 для многоструйных
форсунок закрытого типа) регулируется путем установки шайб под
пружины форсунки.
Давление начала закрытия определяется геометрией форсунки
(отношением диаметра иглы к диаметру седла).
Топливные фильтры. Предназначены для очистки топлива от
твердых частиц. Они также предохраняют топливо от компонентов,
вызывающих износ агрегатов системы впрыска, поэтому должны
быть достаточно емкими, чтобы собирать большое количество отсеиваемых частиц и обеспечивать длительные интервалы между
техническими обслуживаниями. Если фильтр забивается, подача
топлива снижается, и мощность двигателя падает.
Прецизионные детали системы впрыска очень чувствительны
к мельчайшему загрязнению топлива. К их защите от износа предъ-
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
213
являются высокие требования, чтобы обеспечить надежность работы,
минимальный расход топлива и предписанный уровень эмиссии ОГ.
При особо высоких требованиях к защите от износа и/или при
увеличенном интервале обслуживания системы подачи топлива
снабжаются фильтрами грубой и тонкой очистки.
Фильтр грубой очистки топлива предназначается главным образом для фильтрации крупных частиц и чаще всего представляет
собой сетку с шагом 300 мкм.
Фильтр тонкой очистки топлива расположен на топливной
магистрали перед топливоподкачивающим насосом или ТНВД.
Топливо очищается при протекании через сменные фильтрующие
элементы 2 (рис. 6.6), выполненные из прессованных материалов
или многослойных синтетических микроволокон.
Возможны также конструкции, состоящие из двух фильтров,
смонтированных либо параллельно для увеличения емкости, либо
последовательно, что позволяет проводить ступенчатую очистку
топлива или соединять в единый агрегат фильтры грубой и тонкой
очистки. Все чаще используются конструкции фильтров, в которых меняется только фильтрующий элемент.
Топливо может содержать влагу в виде капель воды или эмульсии воды с топливом (например, конденсат, образующийся при
перепадах температуры в топливном баке). Естественно, вода не
должна попадать в систему впрыска топлива.
4
3
2
5
6
7
8
1
Рис. 6.6. Фильтр тонкой очистки топлива:
1 — сливная пробка; 2 — фильтрующий элемент; 3 — подвод топлива; 4 — отвод очищенного топлива; 5 — крышка; 6 — корпус;
7 — распорная трубка; 8 — водосборник
214
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
Из-за различного поверхностного натяжения воды и топлива
на фильтрующих элементах образуются капельки воды. Они накапливаются в водосборнике 8. Для удаления свободной влаги может применяться отдельный влагоотделитель-сепаратор, в котором
капли воды отделяются от топлива под действием центробежной
силы. Контролируют наличие воды специальные датчики.
Для предотвращения закупоривания пор фильтрующих элементов кристаллами парафина, образующимися в топливе при
зимней эксплуатации, в фильтрах применяется предварительный
подогрев топлива. В большинстве случаев он осуществляется с помощью электронагревательных элементов, охлаждающей жидкости или топлива, поступающего из системы обратного слива.
Свечи накаливания. В дизельных двигателях топливо воспламеняется от высокой температуры сжатого воздуха. При запуске
двигателя, особенно при низкой температуре окружающего воздуха, температура в камере сгорания недостаточна для надежного
самовоспламенения топлива. Для обеспечения надежного запуска
дизельного двигателя в его конструкции предусмотрена система
предварительного разогрева с использованием свечей накаливания.
Свечи накаливания разогревают воздух в зоне впрыска топлива до
температуры 850...1000 °С за 3...4 с, что позволяет значительно
улучшить условия запуска и после запуска в течение нескольких
минут подогревать поступающий воздух при прогреве охлаждающей жидкости до 75 °С.
Свечи подразделяются на штифтовые с нагреваемой спиралью
и керамические.
В штифтовой свече штифт накаливания герметично запрессовывается в корпус 5 (рис. 6.7), обеспечивая хорошее газовое
уплотнение. Штифт состоит из термокоррозионностойкого стержня 4 накаливания, внутри которого в уплотненном наполнителе 9
из порошка оксида магния находится спиральная нить накаливания. Нить состоит из двух последовательно соединенных резисторов: размещенной на конце трубки накаливания нагревательной
спирали и регулирующей спирали. Нагревательная спираль имеет
практически независимое от температуры сопротивление, а регулирующая обладает положительным температурным коэффициентом. При работе свеча накаливания нагревается до 850 °С и работает в течение 4...30 с в зависимости от типа свечи и температуры
215
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Рис. 6.7. Штифтовая свеча накаливания:
1 — штекер подачи электрического напряжения; 2 — изолирующая шайба;
3 — двойное уплотнение; 4 — стержень; 5 — корпус; 6 — уплотнение защитной
оболочки; 7 — нагревательная спираль; 8 — трубка накаливания; 9 — наполнитель
двигателя. Подаваемое топливо при этом нагревается до оптимальной температуры горения.
Продолжительность периода подогрева регулируется блоком
управления свечи накаливания, который контролирует температуру двигателя с помощью температурного датчика охлаждающей
жидкости и изменяет время подогрева.
Установленная на панели контрольная лампочка сообщает водителю, что происходит подогрев. После его окончания лампочка
гаснет, что свидетельствует о возможности запуска двигателя. После запуска двигателя свеча накаливания в зависимости от температуры двигателя может еще некоторое время работать. Это помогает улучшить сгорание топлива, пока двигатель прогревается,
и уменьшает выбросы отработавших газов. Обычно подогрев включается ключом зажигания, поворотом во второе положение. Однако
некоторые модели автомобилей оборудованы системой предпускового подогрева, которая включается только тогда, когда открыта
водительская дверь.
Основными элементами керамической свечи накаливания являются контакт, корпус свечи и нагревательный стержень, выполненный из керамики (рис. 6.8). Нагревательный стержень состоит
1
2
3
Рис. 6.8. Керамическая свеча накаливания:
4
1 — контакт; 2 — корпус свечи; 3 — керамический нагревательный элемент;
4 — защитный керамический слой
216
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
из изолирующего защитного керамического слоя и внутреннего
керамического нагревательного элемента, заменяющего собой нагревательную и регулировочную спираль обычных металлических
свечей накаливания.
Керамические свечи накаливания в течение 2 с достигают температуры примерно 1000 °C, что обеспечивает такой же быстрый
пуск двигателя, как у бензинового ДВС, без присущей дизельным
двигателям «раскачки».
Напряжения при разогреве имеют три фазы. Первая фаза имеет
напряжение 9,8...11,5 В при температуре 1000° в течение 2 с — быстрый разогрев. В последующие моменты регулировки напряжение постепенно снижается и держится ниже напряжения бортовой
сети: фаза 2...7 В, фаза 3...5 В. Для разгрузки бортовой сети штифты
свечей накаливания управляются широтно-импульсной модуляцией со смещением фаз.
Кроме указанных фаз для регенерации сажевого фильтра может применяться промежуточное накаливание. В этом случае свечи накаливания получают с блока управления двигателя сигнал
управления на промежуточное накаливание. Благодаря промежуточному накаливанию улучшаются условия сгорания в процессе
регенерации. По причине незначительного старения керамики
процесс промежуточного накаливания при регенерации сажевого
фильтра не оказывает особого влияния на керамические свечи накаливания.
Основными преимуществами керамических свечей накаливания, по сравнению с металлическими свечами, являются лучшая
работа в условиях холодного пуска за счет высокой температуры
предварительного и последующего накаливания, меньшая токсичность ОГ благодаря более высокой температуре накаливания и больший срок службы. По сравнению с металлическими свечами накаливания керамические свечи при одинаковой потребности в напряжении обеспечивают гораздо более высокие температуры накала.
В настоящее время отдельные производители в свечи накаливания вставляют датчики давления для корректировки процесса
сгорания.
Топливный насос. Топливный насос подает в цилиндры дизеля
строго дозированное количество топлива под высоким давлением
в определенный момент времени в зависимости от нагрузки и ско-
217
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
3
4
5
6
7
8
2
9
1
10
17
13
16
15
12
11
14
Рис. 6.9. Схема топливного насоса Bosch VE:
1 — вал привода насоса; 2 — перепускной клапан регулирования внутреннего
давления; 3 — рычаг управления подачей топлива; 4 — грузы регулятора; 5 —
жиклер слива топлива; 6 — винт регулировки полной нагрузки; 7 — передаточный рычаг регулятора; 8 — электромагнитный клапан остановки двигателя; 9 — плунжер; 10 — центральная пробка; 11 — нагнетательный клапан;
12 — дозирующая муфта; 13 — кулачковый диск; 14 — автомат опережения
впрыска топлива; 15 — ролик; 16 — муфта; 17 — ротор топливоподкачивающего насоса низкого давления
ростного режима, поэтому характеристики двигателей существенно зависят от работы ТНВД.
Схема распределительного насоса VE представлена на рис. 6.9,
а его общий вид на рис. 6.10.
Основные функциональные блоки топливного насоса VE: ро
торно-лопастный топливный насос низкого давления с регулирующим перепускным клапаном; блок высокого давления с распределительной головкой и дозирующей муфтой; автоматический регулятор
частоты вращения с системой рычагов и пружин; электромагнитный запирающий клапан, отключающий подачу топлива; автоматическое устройство (автомат) изменения угла опережения впрыска топлива.
218
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
а
3
5
4
6
7
2
8
10
1
17
14
б
13
12
9
11
Рис. 6.10. Общий вид распределительного ТНВД VE:
а — ТНВД; б — блок высокого давления с распределительной головкой и дозирующей муфтой (позиции соответствуют позициям рис. 6.9)
Распределительный ТНВД VE может также быть оснащен различными дополнительными устройствами, например корректорами
топливоподачи или ускорителем холодного пуска, которые позволяют индивидуально адаптировать ТНВД к особенностям данного
дизеля.
Вал 1 привода топливного насоса расположен внутри корпуса
ТНВД, на валу установлен ротор 17 топливного насоса низкого давления и шестерня привода вала регулятора с грузами 4. За валом 1
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
219
неподвижно в корпусе насоса установлено кольцо с роликами и штоком привода автомата 14 опережения впрыска топлива. Привод вала
ТНВД осуществляется от коленчатого вала дизеля шестеренчатой
или ременной передачей. В четырехтактных двигателях частота вращения вала ТНВД в 2 раза меньше частоты вращения коленчатого
вала, и распределительный ТНВД работает таким образом, что поступательное движение плунжера синхронизировано с движением
поршней в цилиндрах дизеля, а вращательное обеспечивает распределение топлива по цилиндрам. Поступательное движение осуществляется кулачковой шайбой, а вращательное — валом топливного насоса.
Автоматический регулятор частоты вращения включает в себя
центробежные грузы 4, которые через муфту регулятора и систему
рычагов воздействуют на дозирующую муфту 12, изменяя, таким
образом, величину топливоподачи в зависимости от скоростного
и нагрузочного режимов дизеля. Корпус ТНВД закрыт сверху
крышкой, в которой установлена ось рычага управления, связанного с педалью акселератора.
Автомат опережения впрыска топлива является гидравлическим устройством, работа которого определяется давлением топлива во внутренней полости ТНВД, создаваемым топливным насосом
низкого давления с регулирующим перепускным клапаном 2.
Топливный насос низкого давления расположен в корпусе
ТНВД на приводном валу и служит для забора топлива из бака
и подачи его во внутреннюю полость корпуса насоса. Схема
устройства топливного насоса низкого давления с клапаном низкого давления показана на рис. 6.11.
Насос состоит из ротора 2 с четырьмя лопастями 3 и кольца 1
в корпусе ТНВД, расположенного эксцентрично по внешней стороне ротора. При вращении последнего лопасти под действием
центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности кольца, создавая, таким образом, камеры между ними, из которых топливо под давлением по каналу поступает во внутреннюю полость
корпуса ТНВД. Одновременно часть топлива идет на вход перепускного регулирующего клапана 5 и в случае его открытия перепускается на вход насоса. Корпус 6 перепускного регулирующего
клапана завернут по резьбе в корпусе ТНВД, внутри корпуса имеется
поршень 9, нагруженный тарированной на определенное давление
220
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
Вход
топлива
5
6
7
8
9
Выход
1 топлива
2
3
4
Рис. 6.11. Топливный насос низкого давления и регулирующий клапан:
1 — кольцевая полость; 2 — ротор; 3 — лопасти; 4 — вал; 5 — перепускной
регулирующий клапан; 6 — корпус клапана; 7 — резьбовая пробка; 8 — пружина; 9 — поршень
пружиной 8, второй конец которой упирается в пробку 7. Если
давление топлива оказывается выше установленного значения, поршень 9 клапана открывает канал для перепуска части топлива на
всасывающую сторону насоса. Давление начала открытия перепускного клапана регулируется изменением положения пробки 7,
т.е. величиной предварительной затяжки пружины 8.
Важную роль в обеспечении нормальной работы дизеля играет
сливной жиклер 5 (см. рис. 6.9), установленный в штуцере крышки
ТНВД. Жиклер диаметром порядка 0,6 мм, через который топливо
идет на слив, поддерживает требуемое давление топлива во внутренней полости корпуса ТНВД. Размер жиклера скоординирован
с работой перепускного клапана.
Перепускной клапан и сливной жиклер обеспечивают заданную
зависимость разности давлений топлива в корпусе ТНВД и на выходе насоса низкого давления от частоты вращения вала ТНВД.
Количество топлива, подаваемого насосом низкого давления, в несколько раз больше количества, подаваемого в цилиндры дизеля.
Давление топлива во внутренней полости корпуса ТНВД влияет
на положение поршня автомата опережения впрыска, изменяя угол
опережения впрыска пропорционально частоте вращения коленчатого вала двигателя.
221
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
1
2
3
4
5
1
6
7
9
x
8
Рис. 6.12. Схема движения топлива в ТНВД:
1 — неподвижное кольцо; 2 — ролик; 3 — кулачковый диск; 4 — плунжер; 5 —
втулка подачи топлива; 6 — камера; 7 — канал подачи топлива к форсунке;
8 — распределительный паз; 9 — возвратная пружина плунжера; x — ход муфты, обеспечивающий впрыск топлива
Основным элементом, создающим высокое давление топлива
в ТНВД и распределяющим топливо по цилиндрам дизеля, является плунжер, который совершает возвратно-поступательное и вращательное движение.
Принцип действия насоса поясняет рис. 6.12.
Выступы-кулачки кулачкового диска 3 находятся в постоянном контакте с роликами 2, установленными на осях в неподвижном кольце 1. При вращении кулачковой шайбы каждый кулачок,
набегая на ролик, толкает плунжер вправо, а возвращают его
в прежнее положение две пружины блока ТНВД.
Количество кулачков на кулачковой шайбе, как и число штуцеров линии высокого давления с нагнетательными клапанами,
соответствует числу цилиндров двигателя, обычно четыре или
шесть. Возвратные пружины плунжера, кроме того, препятствуют
разрыву кинематической связи кулачок — ролик толкателя при
больших ускорениях. Обеспечивая возвратно-поступательное движение плунжера, кулачковая шайба формой выступов-кулачков
определяет также ход плунжера, скорость его перемещения и, следовательно, характеристику, давление и продолжительность впрыскивания. Все эти параметры, в свою очередь, зависят от формы
222
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
камеры сгорания и особенностей рабочего процесса данного дизеля и должны быть, таким образом, скоординированы. По этой причине для каждого типа дизеля рассчитывается лента профиля кулачков, которая «накладывается» на фронтальную поверхность
кулачковой шайбы, установленной в ТНВД. Поэтому кулачковая
шайба данного насоса является деталью невзаимозаменяемой, индивидуально соответствующей данному типу дизеля.
Процессы топливоподачи. Плунжер ТНВД создает высокое
давление топлива и распределяет его по цилиндрам при следующих
функциональных этапах процесса топливоподачи: впуск топлива,
активный ход плунжера и впрыск топлива (нагнетание), отсечка
подачи, процесс закрытия нагнетательного клапана и разгрузка
линии высокого давления.
Процессы топливоподачи в распределительной головке показаны на рис. 6.13.
При положении плунжера в крайнем левом положении (мертвой точке) (рис. 6.13, а) в камере 3 высокого давления находится
топливо, поступившее ранее через впускной канал.
При движении плунжера вправо (рис. 6.13, б) топливо начинает сжиматься, при этом впускное отверстие 7 рассоединено с проа
1
б
7
г
4 2
3
2
в
5
6
5
Рис. 6.13. Фазы топливоподачи:
8
а — крайнее левое положение плунжера; б — движение плунжера вправо; в —
окончание подачи топлива; г — подача топлива в камеру высокого давления;
1 — плунжер; 2 — распределительная канавка; 3 — камера; 4 — выпускной
канал; 5 — втулка подачи топлива; 6 — управляющее отверстие; 7 — впускное
отверстие; 8 — прорезь
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
223
резью 8 для впуска топлива, и топливо под рабочим давлением
поступает через центральный канал плунжера в соответствующий
выпускной канал определенного цилиндра. Под давлением открывается нагнетательный клапан, и топливо по трубопроводу высокого давления поступает к форсунке.
Подача топлива заканчивается, как только поперечно расположенное в плунжере отверстие 6 отсечки подачи выйдет за пределы дозирующей муфты (рис. 6.13, в). При этом топливо выходит
во внутреннюю полость насоса и нагнетание прекращается.
При дальнейшем повороте и движении плунжера влево
(рис. 6.13, г) происходит разобщение распределительной канавки 2
с каналом 4, впускное отверстие совмещается с соответствующей
прорезью 8 в плунжере и за счет создавшегося разрежения топливо поступает в камеру 3 высокого давления и центральный канал.
Процесс впуска и последующего впрыска топлива происходит
в течение поворота плунжера на 90° в четырехцилиндровом дизеле, 72° — в пятицилиндровом и на 60° — в шестицилиндровом.
Автоматический регулятор частоты вращения. Регулятор частоты вращения рассматриваемого ТНВД включает в себя механический регулятор с центробежными грузами и систему управляющих рычагов.
Схемы работы всережимного регулятора частоты вращения топливного насоса VE с системой рычагов и рабочими положениями
дозирующей муфты на различных нагрузочных и скоростных режимах показаны на рис. 6.14.
Грузы 1 регулятора (обычно четыре груза) установлены в держателе, который получает вращение от приводной шестеренки.
Радиальное перемещение грузов трансформируется в осевое перемещение муфты 12 регулятора, что изменяет положение нажимного 6 и силового 4 рычагов регулятора, которые, поворачиваясь относительно оси М2, перемещают дозирующую муфту 9, определяя
тем самым активный ход плунжера 11.
В верхней части силового рычага установлена пружина 19 минимального режима холостого хода, а между силовым и нажимным
рычагами — пластинчатая пружина 8 пусковой подачи. Рычаг 14
управления воздействует на рабочую пружину 17 регулятора, второй конец которой закреплен в силовом рычаге на фиксаторе 18.
Таким образом, положение системы рычагов и, следовательно,
224
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
а
б
3
s
1
12
М2
17
18
15
19
с
14
13
4
5
6
7
8
2
1
16
М2
9
в
11
10
h1
17
h2
г
19
20
15
14
1
1
12
6
4
7
8
12
М2
М2
9
h1
11
10
h2
Рис. 6.14. Схема работы всережимного регулятора:
а — пуск двигателя; б — холостой ход; в — режим уменьшения нагрузки; г —
режим увеличения нагрузки; 1 — грузы; 2 — ось скользящей муфты; 3 — регулировочный винт максимального режима; 4 — силовой рычаг; 5 — рычаг
регулировки подачи топлива; 6 — нажимной рычаг; 7 — упор силового рычага;
8 — пластинчатая пружина пусковой подачи; 9 — дозирующая муфта; 10 — отсечное отверстие плунжера; 11 — плунжер; 12 — скользящая муфта регулятора;
13 — рычаг натяжения пружины; 14 — рычаг управления; 15 — регулировочный винт холостого хода минимального режима; 16 — ось рычага управления;
17 — рабочая пружина регулятора; 18 — фиксатор пружины; 19 — пружина
минимального режима холостого хода; 20 — регулировочный винт холостого
хода максимального режима
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
225
дозирующей муфты определяется взаимодействием двух сил —
силы предварительной затяжки рабочей пружины регулятора,
определяемой положением рычага управления, и центробежной
силы грузов, приведенной к муфте.
Работа регулятора при пуске дизеля. Перед пуском двигателя,
когда коленчатый вал еще не вращается и топливный насос не работает, грузы регулятора находятся в состоянии покоя на минимальном радиусе, а нажимной рычаг 6 (другое название — рычаг
пуска) под действием пружины 8 пусковой подачи смещен влево
(рис. 6.14, а), имея возможность качания относительно оси М2. Соответственно нижний шарнирный конец рычага обеспечивает
крайнее правое положение дозирующей муфты 9 относительно
плунжера 11, что соответствует пусковой подаче за счет увеличенного активного хода плунжера h1. Как только двигатель запустится,
грузы регулятора расходятся и муфта 12 перемещается вправо на
величину хода «s», преодолевая сопротивление достаточно слабой
пусковой пружины 8. Рычаг 6 при этом поворачивается на оси М2
по часовой стрелке, перемещая дозирующую муфту в сторону уменьшения подачи (влево на рис. 6.14, б).
Работа регулятора на минимальной частоте вращения холостого хода. При отсутствии нагрузки и положении рычага управления на упоре в регулировочный винт 15 двигатель должен устойчиво работать на минимальной частоте вращения холостого хода
в соответствии со схемой на рис. 6.14, б. Регулирование этого режима обеспечивается пружиной 19 холостого хода, усилие которой находится в равновесии с центробежной силой грузов. В результате этого равновесия поддерживается подача топлива, соответствующая активному ходу плунжера h2. Как только скоростной
режим двигателя выходит за пределы минимальной частоты вращения холостого хода, реализуется ход «с» силового рычага при
сжатии пружины 19 под действием возрастающей центробежной
силы грузов.
Работа регулятора на нагрузочных режимах. В эксплуатации
дизеля со всережимным регулятором скоростной режим устанавливается водителем путем воздействия через педаль акселератора на
рычаг 14 управления. На рабочих режимах пружина 8 пусковой подачи и пружина 19 холостого хода не работают, и работа регулятора
определяется предварительной деформацией рабочей пружины 17.
226
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
При повороте рычага управления до упора в регулировочный
винт 20 холостого хода максимального режима (рис. 6.14, в, г)
в сторону увеличения скоростного режима и соответствующем
растяжении рабочей пружины ее усилие передается на силовой
рычаг 4 и затем через рычаг 6 на муфту 12 регулятора, заставляя
грузы 1 сходиться. Система рычагов при этом поворачивается относительно оси М2 против часовой стрелки, перемещая дозирующую муфту 9 в сторону увеличения подачи до режимов внешней
скоростной характеристики. Частота вращения коленчатого вала
дизеля и соответственно грузов регулятора при этом возрастает,
центробежная сила грузов и сопротивление последней усилию рабочей пружины также увеличиваются, и в какой-то момент наступает равновесие сил и равновесие положения всех элементов регулятора. При отсутствии изменения нагрузки двигатель работает на
установившемся режиме при постоянной частоте вращения (не
принимая во внимание естественную для ДВС нестабильность
вращения).
Если на этом режиме имеет место изменение нагрузки, то в работу вступает автоматический регулятор в соответствии со схемами, показанными на рис. 6.14, в, г. При уменьшении нагрузки
частота вращения увеличивается, грузы регулятора расходятся
и, преодолевая сопротивление рабочей пружины, перемещают
муфту регулятора вправо (см. рис. 6.14, в). Система рычагов при
этом поворачивается относительно оси М2 по часовой стрелке,
перемещая дозирующую муфту влево, в сторону уменьшения подачи.
На рис. 6.14, г показана работа регулятора при положении рычага управления на упоре регулировочного винта 20 холостого хода
максимального режима и при увеличении нагрузки. В этом случае
частота вращения вала дизеля снижается, грузы регулятора сходятся, центробежная сила грузов уменьшается, и под действием
усилия рабочей пружины муфта регулятора перемещается влево,
а система рычагов 4 и 6 перемещает дозирующую муфту вправо,
в сторону увеличения подачи.
Корректор давления наддува дизеля. Автоматический противодымный корректор, или корректор давления наддува дизеля (LDA),
служит для приведения в соответствие расхода топлива, подаваемого в цилиндры дизеля, и расхода воздуха, подаваемого компрес-
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
227
сором, исключая, таким образом, дымление двигателя. Необходимость его установки определяется изменением плотности воздуха
в цилиндрах дизеля с турбонаддувом в зависимости от режима работы турбокомпрессора. Особенно важна работа корректора на режимах разгона дизеля, когда топливоподача возрастает значительно
быстрее, чем расход воздуха, при этом коэффициент избытка воздуха уменьшается и работа дизеля сопровождается дымлением.
Конструктивное исполнение корректора давления наддува, установленного на верхней крышке корпуса насоса, показано на рис. 6.15.
Внутренняя полость корректора разделена мембраной 3 на две
камеры — верхнюю, соединенную с впускным коллектором и находящуюся под давлением наддува, и нижнюю, находящуюся под
атмосферным давлением и содержащую пружину 5, которая дейст
вует на мембрану, оказывая сопротивление ее перемещению вниз.
Мембрана 3 соединена со штоком 2, имеющим управляющий конус, в который упирается подвижный стержень 7, передающий
движение штока и, следовательно, мембраны рычагу-упору корректора 1. Шток взаимодействует с силовым рычагом 13 регулятора.
Работает корректор следующим образом. Если величина давления наддува недостаточна для преодоления усилия затяжки пружины 5, то мембрана 3 и шток 2 находятся в исходном положении,
как показано на рис. 6.15, б. При увеличении давления воздуха
(рис. 6.15, а), подаваемого компрессором, мембрана, преодолевая
сопротивление пружины, перемещается вниз, соответственно перемещая шток 2 с управляющим конусом, в результате чего стержень 7 изменяет свое положение и рычаг 1 поворачивается относительно оси по часовой стрелке под действием рабочей пружины
регулятора. Силовой рычаг 13, следуя перемещению рычага-упора 1,
также поворачивается вместе с пусковым рычагом 12 относительно их общей оси, перемещая дозирующую муфту в направлении
увеличения подачи. Таким образом, величина топливоподачи соответствует количеству воздуха, подаваемого в цилиндры дизеля,
поскольку это количество пропорционально давлению наддува.
Если скоростной и нагрузочный режимы уменьшаются, то снижается и давление наддува, пружина корректора перемещает мембрану со штоком вертикально вверх и механизм регулятора работает
в направлении, обратном описанному выше, уменьшая подачу топлива в функции давления наддува (рис. 6.15, б).
12
13
11
10
9
Рис. 6.15. Схема работы корректора с турбонаддувом:
7
8
6
1
1
5
2
2
б
3
4
3
11
10
а — положение мембраны при увеличенном давлении наддува; б — положение мембраны при недостаточном давлении наддува; 1 — рычаг-упор корректора; 2 — шток; 3 — мембрана; 4 — подвод разрежения от впускного коллектора;
5 — пружина; 6 — жиклер слива топлива; 7 — стержень; 8 — регулировочный винт максимальной подачи; 9 — увеличенный ход подачи; 10 — дозирующая муфта; 11 — плунжер; 12 — пусковой рычаг; 13 — силовой рычаг
а
228
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
229
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
Если работа турбокомпрессора нарушается, то автоматическое
устройство LDA, т.е. корректор давления наддува, оказывается
в исходном положении на верхнем упоре (рис. 6.15, б), обеспечивая работу дизеля без дымления. Величина максимальной подачи
топлива для данного двигателя регулируется винтом 8, установленным на крышке ТНВД.
Автомат опережения впрыска. Более раннее зажигание при
увеличении частоты вращения коленчатого вала способствует повышению мощности дизельного двигателя. При увеличении частоты
вращения коленчатого вала впрыск начинается раньше, что обеспечивается автоматом (муфтой) опережения впрыска (рис. 6.16).
Автомат опережения впрыска расположен в нижней части корпуса 1 насоса перпендикулярно оси вала ТНВД. Поршень 7 автомата закрыт с обеих сторон крышками 6, с одной стороны в поршне просверлен канал 5 для прохода топлива под давлением из
внутренней полости корпуса насоса, с другой стороны установлена пружина 9 сжатия. Поршень автомата посредством шарнира 8
и стержня 4 связан с кольцом 2 несущего ролика 3.
Автомат опережения впрыска топлива работает следующим
образом. В исходном положении поршень автомата находится под
а
б
1
2
3
4
5
6
6
9
8
7
Рис. 6.16. Автомат опережения впрыска:
а — исходное положение; б — рабочее положение; 1 — корпус ТНВД; 2 —
кольцо с роликами; 3 — ролик; 4 — стержень; 5 — канал; 6 — крышка; 7 —
поршень; 8 — шарнир; 9 — пружина; α — угол поворота стержня
230
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
действием пружины 9 (рис. 6.16, а). Давление топлива во внутренней полости корпуса насоса возрастает пропорционально скоростному режиму двигателя и определяется регулировкой перепускного клапана 2 (см. рис. 6.9) низкого давления и работой жиклера 5 (см. рис. 6.9) на выходе из насоса. Это давление по каналу 5
(рис. 6.16) передается в рабочий цилиндр автомата с одной стороны
поршня, который под действием силы давления топлива в определенный момент начинает перемещаться влево, преодолевая сопротивление пружины 9. Осевое перемещение поршня посредством
шарнира 8 и стержня 4 передается кольцу с роликами. Кольцо поворачивается и меняет свое положение относительно кулачковой
шайбы таким образом, что кулачки набегают на ролики 3 раньше,
обеспечивая фазовое смещение на величину до 12° по углу поворота кулачковой шайбы (до 24° по углу поворота коленчатого вала,
рис. 6.16, б).
Угол опережения впрыска при холодном пуске дизеля корректируется вручную водителем из кабины посредством троса или
автоматически посредством устройства, устанавливающего угол
опережения впрыска в зависимости от температуры охлаждающей
жидкости.
Привод устройства монтируется на корпусе ТНВД, как это показано на рис. 6.17. Рычаг устройства крепится на оси 12, на другом конце которой эксцентрично расположена поворотная цапфа 3,
взаимодействующая при повороте с кольцом 6, несущим ролики 7,
т.е. с автоматом опережения впрыска топлива.
1 2
34
5
6
7
13 12
8
11
10 9
Рис. 6.17. Устройство
для установки угла опережения
впрыска в зависимости от температуры двигателя:
1 — рычаг; 2 — окно; 3 — поворотная цапфа; 4 — продольная прорезь;
5 — корпус насоса; 6 — кольцо с роликами; 7 — ролик; 8 — поршень;
9 — поворотный стержень; 10 —
шарнир; 11 — пружина автомата
опережения впрыска; 12 — ось
устройства; 13 — пружина шпилечная
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
1
2
231
Рис. 6.18. Схема автоматического
привода устройства для установки угла опережения впрыска в зависимости от температуры двигателя:
1 — тяга; 2 — трос; 3 — упор; 4 —
пружина; 5 — рычаг; 6 — корпус
автомата
3
4 5
6
Исходное положение рычага определяется упором 3 и пружиной 4 (рис. 6.18). К верхней части рычага устройства крепится
трос 2 управления с места водителя или шток автомата привода.
Устройство, ручное или автоматическое, работает следующим
образом. При ручном приводе водитель поворачивает рычаг 1 (см.
рис. 6.17) перед пуском дизеля посредством троса из кузова автомобиля. При этом поворачиваются ось 12 и цапфа 3, под воздействием которой через прорезь 4 кольцо 6 с роликами 7 изменяет
свое положение, поворачиваясь против часовой стрелки за счет сжатия пружины 11 и соответствующих перемещений деталей 8, 9 и 10,
устанавливая необходимый угол опережения впрыска топлива.
При автоматическом приводе автомат, внутри которого находится легко расширяющийся специальный состав, на холодном
двигателе обеспечивает нужное опережение впрыска за счет уменьшения объема состава. По мере увеличения температуры охлаждающей жидкости расширительный элемент в корпусе 6 (рис. 6.18)
автомата прекращает свое воздействие на кольцо с роликами за
счет увеличения объема состава, находящегося внутри корпуса автомата.
Вакуумные насосы. В бензиновых двигателях имеется дроссельная заслонка и существует возможность создания достаточного
разрежения для использования его в различных целях, например
в вакуумном усилителе тормозной системы. В дизельном двигателе
ввиду отсутствия дроссельной заслонки такой возможности нет,
поэтому для создания достаточного разрежения применяется вакуумный насос. Один из вариантов насоса показан на рис. 6.19.
Вакуумный насос содержит эксцентрично установленный ротор 5 с перемещающейся в нем пластмассовой лопастью 2, которая
разделяет рабочую полость насоса на две части.
232
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
а
2
1
7
б
3
4
5
2
6
8
5
Рис. 6.19. Вакуумный насос дизельного двигателя:
а — горизонтальное положение лопасти; б — вертикальное положение лопасти; 1 — сторона всасывания; 2 — лопасть; 3 — вакуумный трубопровод; 4 —
вакуумная полость; 5 — ротор; 6 — канал для отвода воздуха; 7 — сторона
сжатия; 8 — канал для подвода масла
При вращении ротора и перемещении в нем лопасти объем
одной части рабочей полости увеличивается, а другой — уменьшается.
На стороне всасывания производится забор воздуха из вакуумной системы, который затем вытесняется через специальный канал 6. Вытесняемый воздух может использоваться для охлаждения
деталей двигателя. Через специальный канал 8 от головки цилиндров к насосу подается масло, которое применяется не только для
смазки, но и для уплотнения лопасти в рабочей полости.
Привод вакуумного насоса осуществляется от коленчатого или
распределительного вала. В последнем случае вакуумный насос
может совмещаться с топливоподкачивающим насосом системы
питания.
6.3.2. Топливные насосы с электронным управлением
типа Bosch VE
Топливный насос высокого давления VЕ. По мере все большего
ужесточения норм на выброс вредных веществ транспортными средствами традиционные механические ТНВД дизелей оказываются
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
233
не в состоянии обеспечить нужную точность дозирования топлива
и скорость реагирования на изменяющиеся условия движения.
Это привело к необходимости электронного регулирования все
большего числа составных частей топливной системы дизеля.
Фирмами Bosch, Diesel Kiki и Nippon Denso разработан ряд
систем электронного управления топливоподачей на базе топливного насоса VЕ, которые обеспечили дальнейшее совершенствование процесса топливоподачи — повышение точности дозирования
топлива в отдельные цилиндры, снижение межцикловой нестабильности процесса сгорания, уменьшение неравномерности работы
дизеля на режимах холостого хода. В отдельных системах устанавливается быстродействующий клапан, который позволяет разделить процесс впрыска на две фазы, что уменьшает жесткость процесса сгорания.
Точное регулирование не только способствует контролю за выбросом токсичных веществ, но и обеспечивает увеличение мощности и более плавную работу двигателя. Некоторые модели имеют
электронное регулирование рециркуляции отработавших газов.
В электронных системах применяются топливные насосы распределительного типа, дополненные управляемыми исполнительными устройствами для регулирования положения дозатора и клапана автомата опережения впрыска топлива.
Электронный блок управления получает сигналы от множества
датчиков, таких как датчики положения педали акселератора, частоты вращения вала двигателя, температуры охлаждающей жидкости и топлива, подъема иглы форсунок, скорости движения автомобиля, давления наддува и температуры воздуха на впуске.
Эти сигналы обрабатываются в электронном блоке управления. Результирующий выходной сигнал посылается в ТНВД, обеспечивая подачу оптимального количества топлива к форсункам
и оптимальный угол опережения впрыска в соответствии с эксплуатационными условиями. Если подключается дополнительная
нагрузка (например, включают кондиционер воздуха), то в электронный блок управления приходит соответствующий сигнал, и она
компенсируется увеличением подачи топлива. Электронный блок
управления также контролирует работу свечей накаливания в трех
стадиях (период накаливания, установившийся режим работы свечей накаливания и период после накаливания) в зависимости от
температуры.
234
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
В отличие от механических в электронно-управляемых ТНВД
повышенная частота вращения коленчатого вала на холостом ходу
определяется управляющей диафрагмой. Приводимый диафрагмой тросик управляет рычагом повышенной частоты вращения на
топливном насосе. При неработающем двигателе рычаг находится
в положении повышенной частоты вращения. Во время запуска
двигателя в диафрагменном блоке создается разрежение, управляемое электронным блоком управления посредством электромагнитного клапана. По мере прогрева двигателя электронный блок
открывает клапан, в диафрагменном блоке создается разрежение,
вследствие чего рычаг повышенной частоты вращения с помощью
тросика возвращается в нормальное положение холостого хода.
В целях снижения выбросов оксидов азота ТНВД с электронным управлением оборудованы системой рециркуляции отработавших газов. Отбор части отработавших газов во впускной тракт
управляется электронным блоком управления посредством клапанов системы рециркуляции. Вакуумным насосом в клапане рециркуляции создается разрежение, которое зависит от частоты вращения двигателя, нагрузки и высоты над уровнем моря.
Упрощенная схема электронного регулирования одноплунжерного топливного насоса типа VE фирмы Bosch дизельного двигателя приведена на рис. 6.20.
Основным регулирующим элементом системы является электромагнитное исполнительное устройство 10, которое перемещает
дозирующую муфту ТНВД.
Управление процессами топливоподачи осуществляется с помощью блока управления 6. В блок управления поступает информация от различных датчиков: начала впрыска 1, установленного
в одной из форсунок впрыска топлива; верхней мертвой точки
и частоты вращения коленчатого вала 2; расходомера воздуха 3;
температуры охлаждающей жидкости 4; положения педали подачи
топлива 5 и др. В соответствии с заданными в памяти блока характеристиками управления и полученной информацией от датчиков
блок управления выдает выходные сигналы на исполнительные
механизмы управления цикловой подачей и углом опережения
впрыска топлива. Таким образом, регулируется величина цикловой подачи топлива от холостого хода до режима полной нагрузки,
а также во время холодного пуска.
235
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
2
3
4
5
1
6
12
Процессор
11
Задающие
каскады
Исполнительные
устройства
10
7
13
9
8
Рис. 6.20. Схема системы электронного управления одноплунжерного
ТНВД:
1 — датчик начала впрыска, установленный на форсунке; 2 — датчик ВМТ
и частоты вращения коленчатого вала; 3 — расходомер воздуха; 4 — датчик
температуры охлаждающей жидкости; 5 — датчик положения педали подачи
топлива; 6 — блок управления; 7 — исполнительное устройство ускорителя
пуска и прогрева двигателя; 8 — исполнительное устройство управления клапаном рециркуляции отработавших газов; 9 — исполнительное устройство
управления углом опережения впрыска; 10 — исполнительное устройство
привода дозирующей муфты; 11 — датчик хода дозатора; 12 — датчик температуры топлива; 13 — ТНВД
236
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
Потенциометр исполнительного устройства посылает сигнал
обратной связи в электронный блок управления, определяя точное
положение дозирующей муфты. Угол опережения впрыска топлива регулируется подобным же образом.
Электронный блок управления формирует сигналы, обеспечивающие протекание регуляторных характеристик, стабилизацию
частоты вращения холостого хода, рециркуляцию ОГ, степень которой определяется по сигналам датчика массового расхода воздуха.
При этом в блоке управления сопоставляются реальные сигналы
датчиков со значениями в запрограммированных полях характеристик, в результате чего на сервомеханизм исполнительных устройств
передается выходной сигнал, обеспечивающий требуемое положение дозирующей муфты с высокой точностью регулирования.
В систему заложена программа самодиагностики и отработки
аварийных режимов, что позволяет обеспечить движение автомобиля при большинстве неисправностей, кроме выхода из строя
микропроцессора.
В большинстве случаев для одноплунжерных насосов распределительного типа в качестве исполнительного устройства, регулирующего цикловую подачу, используется электромагнит 6 (рис. 6.21)
с поворотным сердечником, конец которого соединен через эксцентрик с дозирующей муфтой 5. При прохождении тока в обмотке
электромагнита сердечник поворачивается на угол от 0 до 60°, соответственно перемещая дозирующую муфту 5, с помощью которой
изменяется цикловая подача.
Управляет автоматом опережения впрыска быстродействующий
электромагнитный клапан 2, который регулирует давление топлива,
действующее на поршень автомата. Клапан работает в импульсном режиме «открыт — закрыт», модулируя давление в зависимости
от частоты вращения вала двигателя. Когда клапан открыт, давление снижается и угол опережения впрыска также уменьшается.
Когда клапан закрыт, давление повышается, перемещая поршень
автомата в сторону увеличения угла опережения впрыска. Отношение импульсов определяется электронным блоком в зависимости от режима работы и температурного состояния двигателя. Для
определения момента начала впрыска одна из форсунок имеет индукционный датчик подъема иглы.
237
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
8
7
9
6
10
1
11
2
4
3
5
Рис. 6.21. Развернутая схема одноплунжерного насоса с электронным
управлением:
1 — ТНВД; 2 — электромагнитный клапан управления автоматом опережения
впрыска; 3 — жиклер; 4 — цилиндр автомата опережения впрыска; 5 — дозирующая муфта; 6 — электромагнитное устройство изменения подачи топлива;
7 — электронный блок управления; 8 — сигналы от датчиков температуры,
давления наддува, положения подачи топлива; 9 — педаль управления; 10 —
возврат топлива; 11 — подача топлива к форсунке
Как исполнительные механизмы, воздействующие на органы,
управляющие подачей топлива в ТНВД, применяются пропорциональные электромагнитные, моментные, линейные или шаговые
электродвигатели, которые служат в качестве непосредственного
привода дозатора топлива в насосах распределительного типа.
На рис. 6.22 приведен исполнительный механизм, управляющий подачей топлива, где используется электромагнит 2 с поворотным сердечником, конец которого соединен через эксцентрик
с дозирующей муфтой 3. При прохождении тока в обмотке электромагнита сердечник поворачивается на угол от 0 до 60°, соответственно перемещая дозирующую муфту. Контролирует ее перемещение датчик 1.
Форсунка. Момент начала впрыска топлива является очень
важным параметром, определяющим оптимальную работу дизеля.
Он позволяет уточнить величину угла опережения впрыска в зависимости от нагрузки и частоты вращения, управлять рециркуляцией отработавших газов и различными исполнительными механизмами. Для определения начала впрыска топлива в системах
238
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
а
б
1
2
6
3
3
5
4
Рис. 6.22. Электромагнитный исполнительный механизм ТНВД распределительного типа:
а — разрез исполнительного механизма; б — схема принципа действия; 1 —
датчик хода дозатора; 2 — исполнительное устройство (электромагнит); 3 — дозирующая муфта; 4 — клапан изменения угла начала впрыска с электромагнитным приводом; 5 — плунжер; 6 — шаровой наконечник
электронного управления одноплунжерного ТНВД применяется
форсунка с датчиком подъема иглы (рис. 6.23).
В корпус форсунки встроен датчик подъема иглы, состоящий
из катушки возбуждения 2 и штока (якоря) 3. На катушку возбуждения электронным блоком управления подается опорное напряжение таким образом, что в электрической цепи поддерживается
постоянный ток независимо от изменений температуры. Этот ток
создает вокруг катушки магнитное поле. Как только игла форсунки
поднимается, якорь 3 изменяет магнитное поле, вызывая изменение сигнала напряжения.
Во время перемещения иглы магнитный поток в катушке изменяет свою величину и индуцирует сигнал, напряжение которого
пропорционально скорости, но не величине перемещения иглы.
В определенный момент подъема иглы возникает пиковый импульс,
который воспринимается электронным блоком управления и используется для управления углом опережения впрыска. Этот сигнал
сравнивается с хранящимися в памяти электронного блока значе-
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
239
ниями для соответствующих эксплуатационных условий работы дизеля. Элек4
тронный блок управления посылает обратный сигнал на электромагнитный
1
клапан, соединенный с рабочей камерой
автомата опережения впрыска, и давле2
5
ние, действующее на поршень автомата,
3
изменяется, в результате чего поршень
перемещается под действием пружины,
изменяя угол опережения впрыска.
На смену обычным стандартным форсункам в электронных системах впрыска пришли двухпружинные форсунки.
Применение их позволяет снизить шум
при работе двигателя.
Рис. 6.23. Схема форсунки
Двухпружинные форсунки имеют две
с датчиком подъема иглы:
пружины, расположенные в корпусе фор- 1 — регулировочный винт;
сунки одна после другой. Сначала толь- 2 — катушка возбуждения;
ко одна пружина воздействует на иглу, 3 — шток; 4 — провод; 5 —
электрический разъем
обеспечивая ее открытие в начале повышенного давления.
Вторая пружина при этом входит в контакт с упорной втулкой,
препятствуя дальнейшему подъему иглы. При дальнейшем повышении давления упорная втулка поднимается, сжимая обе пружины
и обеспечивая, таким образом, больший подъем иглы. Схема двухпружинной форсунки показана на рис. 6.24.
В начале процесса впрыска происходит первоначальный подъем иглы, что позволяет подать в камеру сгорания только небольшое количество топлива. При дальнейшем увеличении давления
впрыска игла форсунки поднимается полностью и происходит
основной впрыск топлива. Такой двухстадийный впрыск, обозначенный кривой на рис. 6.25, обеспечивает более мягкий процесс
сгорания и ведет к уменьшению шума.
Максимальное давление впрыска, достигаемое электронным
управлением топливоподачей на базе топливного насоса VЕ, составляет 150 кгс/см2. Однако ресурсы этой конструктивной схемы
по напряжениям в сложном кулачковом приводе практически ис-
240
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
1
2
Рис. 6.24. Двухпружинная форсунка с датчиком
подъема иглы для двигателей с непосредственным
впрыском топлива:
3
1 — корпус форсунки; 2 — датчик подъема иглы; 3 — первая пружина; 4 — направляющий элемент; 5 — вторая пружина; 6 — нажимной штифт; 7 — гайка крепления распылителя
4
5
6
7
Подъем иглы форсунки, мм
0,4
а
0,2
Рис. 6.25. Сопоставление
характеристик подъема
иглы форсунки:
0
0,4
б
0,2
а — стандартная форсунка;
б — двухпружинная форсунка; h1 — начальный ход;
h2 — основной ход
h2
h1
1
0
Время
241
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
3
5
4
2
1
6
7
8
12
9
11
10
Рис. 6.26. Топливный насос высокого давления VP-44:
1 — топливоподкачивающий насос; 2 — датчик частоты и положения вала насоса; 3 — кулачковая шайба; 4 — блок управления; 5 — штекерная колодка;
6 — нагнетательные плунжеры; 7 — ротор-распределитель; 8 — электромагнитный клапан управления подачей; 9 — нагнетательный клапан; 10 — электромагнитный клапан установки момента начала впрыска; 11 — устройство
опережения впрыска; 12 — датчик угла поворота приводного вала ТНВД
черпаны. Более совершенными являются ТНВД следующего поколения — VP-44.
Топливный насос высокого давления VP-44 (рис. 6.26). Используется на моделях дизелей Opel Ecotec, Opel Astra, Audi, Ford,
BMW, Daimler-Chrysler. Давление впрыска, развиваемое таким насосом, достигает 1000 кгс/см2.
Схема топливной системы с ТНВД такого типа представлена
на рис. 6.27.
Особенностью приведенной системы является совмещенный
блок управления как для ТНВД, так и для других систем двигателя.
Блок управления состоит из двух частей, оконечные каскады питания электромагнитов которых расположены на корпусе ТНВД.
242
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
4
3
5
11
15
6
7
16
9
14
10
8
2
17
12
13
1
18
19
20
21
22
23
24 25 26 27
28
29
Рис. 6.27. Система непосредственного впрыска дизельного двигателя
с ТНВД VP-44:
1 — топливный бак; 2 — фильтр тонкой очистки топлива; 3 — ТНВД; 4 — ЭБУ
ТНВД; 5 — электромагнитный клапан управления подачей топлива; 6 — электромагнитный клапан угла опережения впрыска; 7 — автомат опережения
впрыска; 8 — ЭБУ двигателя; 9 — форсунка с датчиком подъема иглы; 10 —
свеча предпускового подогрева с закрытым нагревательным элементом; 11 —
ЭБУ свечей накаливания; 12 — датчик температуры охлаждающей жидкости;
13 — датчик частоты вращения коленчатого вала; 14 — датчик температуры
воздуха на впуске; 15 — массовый расходомер воздуха; 16 — датчик давления
наддува; 17 — турбокомпрессор; 18 — привод клапана системы рециркуляции
ОГ; 19 — привод клапана регулирования давления наддува; 20 — вакуумный
насос; 21 — аккумуляторная батарея; 22 — приборная панель; 23 — датчик
положения педали акселератора; 24 — концевой выключатель (на педали сцепления); 25 — контакты стоп-сигнала; 26 — датчик скорости автомобиля;
27 — блок управления круиз-контролем; 28 — компрессор кондиционера;
29 — диагностический дисплей с выводами для диагностического тестера
Контур низкого давления. Топливоподкачивающий насос 17
(рис. 6.28) в ТНВД VP-44 шиберного типа, аналогичный рассмотренным выше. Давление топлива, создаваемое топливоподкачивающим насосом на стороне нагнетания, зависит от частоты вращения колеса насоса. В то же время при возрастании частоты
243
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
1
7
2
BOSCH
4
5
3
15
17
6
8
14
13
9
16
10
11
12
Рис. 6.28. Гидравлическая схема ТНВД VP-44:
1 — блок управления работой дизеля; 2 — клапан регулирования давления;
3 — поршень клапана регулирования давления; 4 — клапан дросселирования
перепуска; 5 — отводной канал; 6 — дроссель; 7 — блок управления ТНВД;
8 — поршневой демпфер; 9 — электромагнитный клапан управления подачей;
10 — нагнетательный клапан; 11 — форсунка; 12 — электромагнитный клапан
установки момента начала впрыска; 13 — ротор-распределитель; 14 — насосная секция ТНВД с радиальным движением плунжеров; 15 — датчик угла
поворота приводного вала ТНВД; 16 — устройство опережения впрыска; 17 —
топливоподкачивающий насос
вращения оно увеличивается непропорционально. Клапан 2 регулирования давления располагается в непосредственной близости
от топливоподкачивающего насоса. Клапан изменяет давление нагнетания, создаваемое топливоподкачивающим насосом, в зависимости от требуемого расхода топлива.
От топливоподкачивающего насоса топливо поступает к насосной секции ТНВД и устройству опережения впрыска.
Если создаваемое давление топлива превышает определенную
величину, то торцевая кромка поршня 3 открывает отверстия, расположенные радиально, и через них топливо сливается по каналам
насоса к подводящему пазу. При слишком малом давлении топлива
244
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
эти радиальные отверстия закрыты вследствие преобладания сил
пружины. Предварительный натяг пружины определяет, таким образом, величину давления открытия клапана.
Для охлаждения топливоподкачивающего насоса и удаления
из него воздуха топливо проходит через привинченный к корпусу
насоса клапан 4 дросселирования перепуска. Этот клапан отводит
топливо через отводной канал 5. В корпусе клапана находится нагруженный пружиной шарик, который позволяет вытекать топливу
только по достижении определенной величины давления в канале.
Дроссель 6 очень малого диаметра, связанный с линией отвода,
расположен в корпусе клапана параллельно основному каналу отвода топлива. Он обеспечивает автоматическое удаление воздуха
из насоса. Весь контур низкого давления ТНВД рассчитан на то, что
в топливный бак через клапан дросселирования перепуска всегда
перетекает некоторое количество топлива.
Контур высокого давления. В контур высокого давления входят ТНВД, а также узел распределения и регулирования величины и момента начала подачи с использованием только одного элемента — электромагнитного клапана высокого давления.
Насосная секция ТНВД с радиальным движением плунжеров
создает требуемое для впрыска давление величиной до 1000 кгс/см2.
Она приводится через вал и включает в себя (рис. 6.29):
соединительную шайбу;
башмаки 4 с роликами 2;
а
б 1 23 4
в
5 6
7
Рис. 6.29. Примеры расположения плунжеров:
а — для четырех или шести цилиндров; б — для шести цилиндров; в — для
четырех цилиндров
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
кулачковую
245
шайбу 1;
плунжеры 5;
переднюю часть (головку) вала-распределителя 6.
Крутящий момент от приводного вала передается через соединительную шайбу и шлицевое соединение непосредственно на валраспределитель 6. Направляющие пазы 3 служат для того, чтобы
через башмаки 4 и сидящие в них ролики 2 обеспечить работу нагнетающих плунжеров 5 сообразно внутреннему профилю кулачковой шайбы 1. Количество кулачков на шайбе соответствует числу
цилиндров двигателя. В корпусе вала-распределителя нагнетающие плунжеры расположены радиально, что и дало название этому
типу ТНВД. На восходящем профиле кулачка плунжеры совместно выдавливают топливо в центральную камеру высокого давления 7. В зависимости от числа цилиндров двигателя и условий его
применения существуют варианты ТНВД с двумя, тремя или четырьмя нагнетающими плунжерами.
Корпус-распределитель (рис. 6.30) включает:
фланец 6;
плотно вставленную в фланец распределительную втулку 3;
расположенную в распределительной втулке заднюю часть
вала-распределителя 2;
запирающую иглу 4 электромагнитного клапана 7 высокого
давления;
аккумулирующую мембрану 10, разделяющую полости подкачки и слива;
штуцер 16 магистрали высокого давления с нагнетательным
клапаном 15.
В фазе наполнения (рис. 5.31, а) на нисходящем профиле кулачков радиально движущиеся плунжеры 1 перемещаются наружу,
к поверхности кулачковой шайбы. Запирающая игла 4 при этом
находится в свободном состоянии, открывая канал впуска топлива. Через камеру 12 низкого давления, кольцевой канал 9 и канал
иглы топливо направляется от топливоподкачивающего насоса по
каналу 8 вала-распределителя и заполняет камеру высокого давления. Излишек топлива вытекает через канал 5 обратного слива.
В фазе нагнетания (рис. 6.31, б) плунжеры 1 при закрытой игле 4
перемещаются на восходящем профиле кулачков к оси вала-рас
пределителя, повышая давление в камере высокого давления.
нагнетающие
246
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
Благодаря этому топливо под высоким давлением движется по
каналу 8 камеры высокого давления. Затем топливо через распределительную канавку 13 (см. рис. 6.30), которая в этой фазе соединяет вал-распределитель 2 с выпускным каналом 14, штуцер 16
2 3 4
9
13
1
12 8
2
8
3
4
9 10 11 12
5
6
13 14
7
15
16
Рис. 6.30. Корпус-распределитель:
1 — плунжер; 2 — вал-распределитель; 3 — распределительная втулка; 4 — запирающая игла электромагнитного клапана высокого давления; 5 — канал
обратного слива топлива; 6 — фланец; 7 — электромагнитный клапан высокого давления; 8 — канал камеры высокого давления; 9 — кольцевой канал впуска топлива; 10 — аккумулирующая мембрана, разделяющая полости подкачки и слива; 11 — полость за мембраной; 12 — камера низкого давления;
13 — распределительная канавка; 14 — выпускной канал; 15 — нагнетательный
клапан; 16 — штуцер магистрали высокого давления
а
б
9
4
9 4
7
8
8
1
2
3
14
Рис. 6.31. Принципиальная схема подачи топлива
(позиции соответствуют позициям рис. 6.30)
16
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
247
с нагнетательным клапаном 15, магистраль высокого давления и форсунку поступает в камеру сгорания двигателя.
Дозирование топлива с помощью электромагнитного клапана
высокого давления. Для дозирования цикловой подачи в контур
высокого давления ТНВД встроен электромагнитный клапан 7
высокого давления.
К электромагнитному клапану высокого давления передается
напряжение от блока управления ТНВД, и якорь перемещает иглу 4,
прижимая ее к седлу. Если игла прижата к седлу, топливо поступает только в выпускной канал 14 высокого давления, соединенный с нагнетательным клапаном 15 (см. рис. 6.30), где давление
резко повышается, а от него к форсунке. Дозирование подачи топлива определяется интервалом между моментом начала подачи
и моментом открытия электромагнитного клапана и называется
продолжительностью подачи. Продолжительность закрытия электромагнитного клапана, определяемая блоком управления, регулирует, таким образом, величину цикловой подачи топлива. После
окончания впрыска электромагнит клапана обесточивается, при
этом электромагнитный клапан высокого давления открывается
и давление в контуре снижается, прекращая подачу топлива к форсунке.
Избыточное топливо, которое нагнетается вплоть до прохождения роликом плунжера верхней точки профиля кулачка, направляется через специальный канал в пространство за аккумулирующей мембраной. Скачки высокого давления, которые при этом
возникают в контуре низкого давления, демпфируются аккумулирующей мембраной. Кроме того, это пространство сохраняет аккумулированное топливо для процесса наполнения перед последующим впрыском.
Для остановки двигателя с помощью электромагнитного клапана полностью прекращается нагнетание под высоким давлением. Следовательно, не требуется дополнительный остановочный
клапан, как это имеет место в распределительных ТНВД с управлением регулирующей кромкой.
Демпфирование волн давления с помощью нагнетательного клапана с дросселированием обратного потока. Нагнетательный клапан 15 (см. рис. 6.30) с дросселированием обратного потока в конце очередного впрыска топлива предотвращает новое открытие
248
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
распылителя форсунки, что исключает подвпрыскивание, которое
возможно в результате появления волн давления или их отражений. Подвпрыскивание повышает токсичность ОГ.
С началом подачи конус клапана открывает клапан. Теперь топливо нагнетается через штуцер и магистраль высокого давления
к форсунке. По окончании нагнетания давление топлива резко падает, и возвратная пружина прижимает конус клапана к его седлу.
Обратные волны давления, возникающие при закрытии форсунки,
гасятся дросселем нагнетательного клапана, что предотвращает
подвпрыскивание топлива в камеру сгорания.
Устройство опережения впрыска топлива. Наиболее благоприятно процесс сгорания протекает только в том случае, когда
момент начала сгорания соответствует определенному положению
коленчатого вала или поршня в цилиндре. Задачей устройства
опережения впрыска является увеличение угла начала подачи топлива при повышении частоты вращения коленчатого вала. Это
устройство, состоящее из датчика угла поворота приводного вала
ТНВД, блока управления и электромагнитного клапана установки
момента начала впрыска, обеспечивает оптимальный момент начала впрыска соответственно условиям эксплуатации двигателя,
чем компенсирует временной сдвиг, определяемый сокращением
периода впрыска и воспламенения при увеличении частоты вращения.
Устройство опережения впрыска, оснащенное гидравлическим
приводом, встроено в нижнюю часть корпуса ТНВД поперек его
продольной оси (рис. 6.32).
Кулачковая шайба 1 входит своей шаровой цапфой 2 в поперечное отверстие плунжера 3 так, что поступательное движение
последнего превращается в поворот кулачковой шайбы. В середине плунжера находится регулировочный клапан 5, который открывает и закрывает управляющие отверстия в плунжере. По оси
плунжера 3 расположен нагруженный пружиной 10 управляющий
поршень 12, который задает положение регулировочного клапана.
Поперек оси плунжера находится электромагнитный клапан 15
установки момента начала впрыска. Блок управления ТНВД воздействует на плунжер устройства опережения впрыска с помощью
этого клапана (рис. 6.33), на который непрерывно подаются импульсы тока постоянной частоты и переменной скважности. Клапан изменяет давление, действующее на управляющий поршень.
249
6.3. Одноплунжерные распределительные топливные насосы
10
11
1
2
3
12
4
13
5
6
14
7
8
15
9
Рис. 6.32. Устройство опережения впрыска:
1 — кулачковая шайба; 2 — шаровая цапфа; 3 — плунжер установки угла опережения впрыска; 4 — подводной/отводной канал; 5 — регулировочный клапан; 6 — шиберный топливоподкачивающий насос; 7 — выход топлива; 8 —
вход топлива; 9 — подвод от топливного бака; 10 — пружина управляющего
поршня; 11 — возвратная пружина; 12 — управляющий поршень; 13 — кольцеобразная камера гидравлического упора; 14 — дроссель; 15 — электромагнитный клапан установки момента начала впрыска (в закрытом положении)
1
2 3
4 5
6
Рис. 6.33. Электромагнитный
клапан установки момента начала
впрыска:
1 — седло клапана; 2 — направление
закрытия; 3 — игла клапана; 4 — якорь
электромагнита; 5 — катушка; 6 —
электромагнит
250
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
Регулирование начала впрыска. В зависимости от условий эксплуатации двигателя (нагрузка, частота вращения коленчатого вала,
температура охлаждающей жидкости) блок управления работой
дизеля устанавливает необходимый угол опережения впрыска, который определяется соответствующим полем характеристик. Для
обеспечения необходимого угла опережения впрыска кулачковая
шайба поворачивается на определенный угол.
Регулятор начала впрыска в блоке управления ТНВД постоянно сравнивает действительное значение момента начала впрыска
с заданным. Если различие этих сигналов выше допустимого, регулятор изменяет момент начала впрыска с помощью электромагнитного клапана установки момента начала впрыска. Информацию о действительном моменте начала впрыска передает сигнал
датчика угла поворота приводного вала ТНВД или, в качестве альтернативы, сигнал датчика подъема иглы распылителя форсунки.
Установка раннего опережения впрыска. На неработающем двигателе плунжер 3 (см. рис. 6.32) установки угла опережения впрыска благодаря возвратной пружине 11 устанавливается на поздний
впрыск. При работающем двигателе давление топлива внутри ТНВД
изменяется клапаном регулирования давления в зависимости от
частоты вращения коленчатого вала. Давление топлива, проходящего через дроссель 14 в кольцеобразную камеру 13 гидравлического упора, сдвигает при закрытом электромагнитном клапане 15
управляющий поршень 12 в направлении положения «Раньше»,
преодолевая силу пружины 10 поршня. Благодаря этому на более
ранний угол опережения впрыска сдвигается и регулировочный
клапан 5, связанный с управляющим поршнем, открывая канал 4,
ведущий к камере за плунжером 3.
Топливо, поступая через этот канал, оказывает давление на плунжер, перемещая его в направлении положения «Раньше». Осевое
перемещение плунжера 3 преобразуется через шаровую цапфу 2
в поворот кулачковой шайбы 1 относительно вала привода ТНВД,
что ведет к более раннему набеганию роликов на кулачки и обеспечивает более раннее начало впрыска. Возможность установки
более раннего угла опережения впрыска составляет до 20° угла
поворота кулачковой шайбы (соответственно 40° угла поворота
коленчатого вала).
Установка позднего опережения впрыска. Электромагнитный
клапан 15 установки момента начала впрыска открывается, если
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
251
он воспринимает сигнал от блока управления ТНВД. При его открытии снижается управляющее давление в кольцеобразной камере 13 гидравлического упора.
Управляющий поршень 12 перемещается силой пружины 10
в направлении положения «Позже». Когда регулировочный клапан 5 открывает управляющее отверстие, соединенное с каналом 4,
тогда топливо начинает вытекать из полости за плунжером 3. Теперь
сила пружины 11 и реактивный момент на кулачковой шайбе 1
давят на плунжер 3 в направлении положения «Позже», т.е. к исходному положению.
Регулирование управляющего давления. Так как электромагнитный клапан 15 (см. рис. 6.32) способен быстро открываться и закрываться, он работает как регулируемый дроссель и постоянно
влияет на управляющее давление так, что плунжер 3 может занимать любое положение в рабочем диапазоне «Раньше — позже».
При этом отношение времени открытия электромагнитного клапана к общей продолжительности рабочего цикла перемещения его
иглы определяется блоком управления ТНВД.
Например, если управляющий плунжер должен быть установлен в положение «Раньше», это отношение изменяется блоком
управления так, чтобы уменьшался период открытого положения
клапана. В таком случае через электромагнитный клапан проходит
некоторое количество топлива и плунжер двигается в сторону положения «Раньше».
6.4. Аккумуляторные топливные системы
с электронным управлением Common Rail
Качество распыливания дизельного топлива во многом определяет процесс его горения, а значит, и образование токсичных
компонентов в отработавших газах. Более качественного распыливания можно достигнуть при высоком давлении (порядка
1600...2000 кгс/см2). Однако стандартные системы топливоподачи
не могут обеспечить подачу топлива к форсункам под таким давлением, поэтому в настоящее время более широко распространены
топливные системы с электронным управлением — Common Rail,
насос-форсунки и системы насос — форсунка — трубопровод.
252
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
Главной отличительной особенностью аккумуляторных топливных систем с электронным управлением Common Rail является
разделение узла, создающего давление (ТНВД — аккумулятор),
и узла впрыска (форсунки). Аккумуляторные топливные системы
применялись еще в 1950-е гг. на двигателях морских судов. Первым промышленным образцом аккумуляторной топливной системы с электронным управлением без мультипликаторов давления,
названным Common Rail (общий путь, т.е. общая для форсунок
магистраль, аккумулятор), явилась совместная разработка фирм
Robert Bosch GmbH, Fiat, Elasis. В настоящее время работы по использованию систем Common Rail ведутся практически во всех
фирмах — производителях топливоподкачивающей аппаратуры
(R.Bosch, Lucas, Siemens, L’Orange). На серийных автомобилях
с применением электронного управления они появились в 1997 г.
По сравнению с обычным дизелем система Common Rail позволяет снизить расход топлива на 40 % при уменьшении токсичности
отработавших газов и снижении шумности при работе на 10 %.
На рис. 6.34 показано расположение элементов системы питания Common Rail на двигателе.
Принцип работы системы заключается в следующем. С помощью топливоподкачивающего насоса топливо прокачивается через
фильтр 33 с влагоотделителем и подается в радиально-плунжерный
ТНВД 1, который с помощью эксцентрикового вала приводит в движение три плунжера. В радиально-плунжерном насосе размещается
также регулятор производительности и подкачивающий насос.
От ТНВД топливо под давлением 1350...1600 кгс/см2 поступает
в гидроаккумулятор 4, откуда под высоким давлением — на электро- или пьезогидравлические форсунки 11. Излишки топлива от
форсунок и ТНВД сливаются в топливный бак 32 через топливопроводы слива. Блок управления 7, получая информацию по входным параметрам (с датчиков), задает значения выходных параметров,
используя заложенную программу (воздействует на исполнительные механизмы), что в целом необходимо для получения требуемых характеристик двигателя.
Количество топлива, подаваемого в цилиндры двигателя через
форсунки, определяется сигналом электронного блока управления 7 в зависимости от режима работы двигателя. В блок управления поступает информация от различных датчиков: температуры
253
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
двигателя, температуры поступающего воздуха, частоты вращения
и положения коленчатого вала двигателя, положения педали акселератора, расходомера воздуха, давления воздуха и др.
10
4
5
2
9
11
8
3
1
6
7
33
17
16
15
12
18
13
14
32
19
29
31
28
27 26
20
21
22
25 24 23
30
Рис. 6.34. Развернутая схема системы питания дизельного двигателя
Common Rail:
1 — ТНВД; 2 — впускной электрический клапан; 3 — электрический клапан
перепуска топлива на слив; 4 — гидроаккумулятор; 5 — датчик давления; 6 —
реле свечи накаливания; 7 — электронный блок управления; 8 — датчик температуры топлива; 9 — аварийный ограничитель подачи топлива; 10 — предохранительный клапан; 11 — форсунка впрыска; 12 — свеча накаливания;
13 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 14 — датчик частоты вращения и положения коленчатого вала; 15 — датчик температуры воздуха;
16 — датчик давления воздуха; 17 — расходомер воздуха; 18 — турбокомпрессор; 19 — электромеханический преобразователь регулятора рециркуляции
отработавших газов; 20 — электромеханический преобразователь регулятора
наддува; 21 — компрессор: 22 — разъем для электронного тестера; 23 — сигнализатор самодиагностики; 24 — датчик кондиционера; 25 — компрессор
кондиционера; 26 — датчик скорости; 27 — датчик и указатель скорости; 28 —
датчики трансмиссии; 29 — датчик педали акселератора; 30 — панель приборов; 31 — АКБ; 32 — топливный бак с электрическим топливоподкачивающим насосом; 33 — фильтр тонкой очистки
254
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
1
2
3
По сигналу блока управления
давление в системе регулируется
с помощью регулятора. На холостом ходу оно минимальное, что
снижает шум работы форсунок
и ТНВД, а при разгоне максимальное — для обеспечения лучшей приемистости.
На входе топлива в форсунку
Рис. 6.35. Аварийный
установлен аварийный ограничи- ограничитель подачи топлива
тель подачи топлива. Он предотврачерез форсунку
щает опорожнение аккумулятора через форсунку с зависшей иглой или клапаном управления, а также
повреждение соответствующего цилиндра дизеля. В нем используется принцип возникновения разницы давлений по обе стороны
от клапана 1 (рис. 6.35) при прохождении топлива через его жиклеры 2. Сечение жиклеров, затяжка пружины 3 и диаметр клапана подобраны по расходу топлива.
Система Common Rail подвергает моторное масло большим нагрузкам. Из-за более интенсивного горения верхняя часть поршней нагревается гораздо сильнее, чем у традиционного дизельного
двигателя. Верхняя часть поршня у традиционного двигателя непосредственного впрыска нагревается до 320...350 °C, при системе
Common Rail — свыше 400 °С, т.е. моторное масло выгорает значительно быстрее. В результате в таких двигателях возникает потребность в синтетических маслах или, по крайней мере, в полусинтетических материалах.
Для систем Common Rail существуют определенные требования по количеству топлива, оставшегося в топливном баке, потому
что полный расход топлива может привести к выходу системы из
строя. Если количество топлива незначительно, система управления двигателем предупреждает об этом водителя, после чего работа
двигателя становится неустойчивой и далее может прекратиться.
Гидроаккумулятор. Назначение данного аккумулятора — накапливать необходимое количество топлива для обеспечения его
потребления форсунками на всех режимах работы двигателя. Чтобы
нагнетательные топливопроводы, идущие к форсункам, не были
длинными, аккумулятор закрепляют на голове блока. Аккумулятор
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
255
1
1
2
3
4
2
Рис. 6.36. Предохранительный клапан в сборе:
1 — корпус клапана; 2 — клапан; 3 — пружина;
4 — винт
Рис. 6.37. Датчик
давления .
в аккумуляторе
изготавливается в виде толстостенного трубопровода с внутренним диаметром 10 мм, наружным 18 мм, длиной 280...600 мм, объемом 22...47 мл.
Предохранительный (редукционный) клапан (рис. 6.36) предназначен для стравливания топлива из аккумулятора при увеличении давления выше допустимого. Он срабатывает в случае неисправности регулятора давления. При возрастании давления в аккумуляторе свыше допустимого клапан 2, расположенный в корпусе 1
(рис. 6.36), преодолевая усилие пружины 3, открывает сливную
магистраль и давление в аккумуляторе уменьшается. Давление
срабатывания клапана регулируется поворотом винта 4.
Датчик давления топлива в аккумуляторе служит для передачи сигнала давления топлива в блок управления. Он состоит из
мембраны 2 (рис. 6.37) и электронной платы 1.
Мембрана 2 приварена к корпусу и снабжена полупроводниковым первичным преобразователем. Она может прогибаться до 1 мм
при давлении 1500 кгс/см2. Перемещение мембраны, зависящее от
давления топлива, вызывает изменение сигнала, которое регистрируется в электронной плате и передается в блок управления.
Топливный фильтр. В современных системах питания дизельных двигателей в целях предотвращения засорения топливного
фильтра кристаллами парафина устанавливаются топливные
фильтры с подогревом от температуры нагретого топлива системы
256
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
а
б
Обратная магистраль
от насоса высокого
давления
1
Обратная магистраль
в топливный бак
Подающая
магистраль
от топливного
бака
Подающая
магистраль
к насосу
высокого
давления
2
3
4
Рис. 6.38. Система обогрева топливного фильтра с подогревом
от температуры нагретого топлива системы высокого давления:
а — обогрев включен; б — обогрев выключен; 1 — центральная трубка топливного фильтра; 2 — фильтр; 3 — плунжер; 4 — термостат
высокого давления и электроподогревом для нагревания топлива
при низких температурах наружного воздуха.
Система обогрева топливного фильтра с подогревом от температуры нагретого топлива системы высокого давления (рис. 6.38)
состоит из клапана предварительного нагрева, в котором имеется
расширительный элемент (термостат) и плунжер, находящийся
под усилием пружины. Клапан предварительного нагрева отводит
топливо в зависимости от температуры, идущее в обратном направлении от насосов высокого давления и клапанов впрыска, в топливный фильтр или топливный бак.
При температуре топлива ниже 5 °С термостат закрыт (рис. 6.38, а)
и плунжер преграждает с помощью усилия пружины путь обратно
в топливный бак. Таким образом, обратно идущее от насоса высокого давления, аккумуляторов высокого давления и форсунок теплое топливо подводится к топливному фильтру и находящееся
там топливо нагревается. При температуре топлива выше 35 °С
плунжер 3 открывается (рис. 6.38, б) и идущее в обратном направлении топливо направляется прямо в бак.
Система обогрева топливного фильтра с электроподогревом
(рис. 6.39) состоит из алюминиевых пластин 5 и биметаллическо-
257
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
а
2
б
3
3
2
1
4
6
5
5
Рис. 6.39. Топливный фильтр с электроподогревом:
а — обогрев выключен; б — обогрев включен; 1 — топливо; 2 — подвижной
контакт; 3 — биметаллическая пластина; 4 — провода подвода электроэнергии; 5 — алюминиевые пластины; 6 — фильтрующий элемент
го контактного выключателя. При высоких температурах окружающего воздуха биметаллическая пластина 3 выгибается и контакты находятся в разомкнутом состоянии, и ток на систему обогрева
топливного фильтра не подается (рис. 6.39, а). При температуре
окружающего воздуха от 3 до 8 °C биметаллическая пластина распрямляется и контакты замыкаются (рис. 6.39, б). На систему обогрева топливного фильтра подается ток, и при помощи алюминиевых пластин происходит подогрев топлива в топливном фильтре.
Топливный насос высокого давления фирмы Bosch показан на
рис. 6.40.
Радиально-плунжерный насос имеет звездообразную компоновку и состоит из эксцентрикового приводного вала 1, трех плунжеров 3, расположенных под углом 120°, впускного трубопровода
с предохранительным клапаном 14 и противодренажным отверстием, впускного клапана 5 с электромагнитом, выпускного шарикового клапана 7 и регулятора давления с клапаном 10. Применение насоса с тремя плунжерами позволяет произвести три рабочих
хода за один оборот при небольших затратах мощности на привод
и обеспечивает равномерную подачу топлива.
При вращении вала 1 эксцентрик вала, набегая или сбегая, передвигает толкатель вместе с плунжером 3. При движении плунжера
вниз в надплунжерном пространстве создается разрежение и топливо через впускной топливопровод и открытый при этом впускной
клапан 5 поступает в надплунжерное пространство. При движении
258
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
а
б
7
6
4
8
5
4
3
2
5
3
9
2
1
1
11
12
15
10
14
13
Рис. 6.40. Радиально-плунжерный ТНВД фирмы Bosch:
а — продольный разрез; б — поперечный разрез; 1 — эксцентриковый вал;
2 — кулачок; 3 — плунжер с втулкой; 4 — камера над плунжером; 5 — впускной клапан; 6 — электромагнитный клапан отключения плунжерной секции;
7 — выпускной клапан; 8 — уплотнения; 9 — штуцер магистрали, ведущей
к аккумулятору высокого давления; 10 — клапан регулирования давления;
11 — шариковый клапан; 12 — магистраль обратного слива топлива; 13 — магистраль подачи топлива к ТНВД; 14 — предохранительный клапан с дроссельным отверстием; 15 — перепускной канал низкого давления
плунжера вверх над ним создается высокое давление за счет относительно короткого хода плунжера и его диаметра, впускной
клапан при этом закрывается, а шариковый выпускной клапан 7
открывается и топливо поступает в гидроаккумулятор. Давление,
производимое насосом, не зависит от количества топлива, подаваемого в цилиндры. Насос крепится на двигателе и приводится
в действие с помощью зубчатой передачи, цепи или ременной передачи с максимальной частотой вращения 3000 об/мин. Внутренние
движущиеся детали насоса смазываются поступающим топливом.
При превышении давления в системе в электромагнит регулятора давления поступает соответствующий сигнал от блока управления, якорь электромагнита в зависимости от величины сигнала
перемещается на определенную величину и передвигает клапан 10
регулирования давления, открывая необходимое сечение канала
слива топлива.
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
259
Для обеспечения требуемой производительности насоса на различных режимах работы двигателя одна из секций насоса может
выключаться с помощью электромагнитного клапана 6. Шток клапана по сигналу блока управления выдвигается и блокирует впускной клапан 5, поэтому при движении плунжера вверх давление
над ним не возрастает и топливо в гидроаккумулятор не подается.
Электромагнитный клапан может также дросселировать (изменять
проходное сечение) прохождение топлива на входе. Дросселирование и выключение секций насоса необходимо для снижения затрат
мощности, так как стравливание топлива с использованием регулятора давления приводит к непроизводительным потерям мощности. Фирма Siemens использует аналогичные насосы, но в них
электромагнитный клапан позволяет дросселировать прохождение
топлива на входе в каждую секцию.
Топливоподкачивающие насосы. В системах Common Rail и на
сосах-форсунках в качестве топливоподкачивающих применяются
насосы шестеренчатые с механическим приводом (внешнего зацепления), роторные (роликовые) с автономным электроприводом
и лопастного типа с отдельно расположенными лопатками. Топливоподкачивающие насосы могут быть объединены с ТНВД или
устанавливаться отдельно, в том числе в топливном баке. Давление топлива, подаваемого топливоподкачивающими насосами, составляет 5...8 кгс/см2. Принцип действия шестеренчатых насосов
аналогичен принципу действия насосов, устанавливаемых в системе смазки, роторных — устанавливаемых в системах впрыска бензиновых двигателей.
Конструкции и принцип действия топливоподкачивающих насосов рассмотрены выше в соответствующих разделах.
Форсунки. Общий вид форсунки системы Common Rail фирмы Bosch показан на рис. 6.41. Она состоит из электромагнита 11
и его якоря 10, маленького шарикового управляющего клапана 8,
запорной иглы 2, распылителя 3, поршня 5 управляющего клапана,
подпружиненного штока 9. Шарик клапана прижимается к седлу
усилием пружины и электромагнита. Сила пружины рассчитана
на давление до 100 кг/см2, что значительно ниже давления в линии
высокого давления (250...1600 кг/см2), поэтому только при приложении усилия электромагнита шариковый клапан не отойдет от
седла, отделяя аккумулятор от линии слива. Игла распылителя
260
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
форсунки в нерабочем состоянии
прижимается к седлу пружиной
распылителя. Это предотвращает
попадание воздуха в форсунку при
пуске двигателя.
В отличие от бензиновых электромеханических форсунок в форсунках Common Rail электромагнит
при давлении 1350...1600 кгс/см2 не
в состоянии поднять запорную
иглу, поэтому используется принцип гидроусиления (рис. 6.42).
При создании давления в аккумуляторе оно действует как на
конусную поверхность иглы, так
и на поршень 5 управляющего клапана (рис. 6.42, а). Поскольку площадь рабочей поверхности поршня
на 50 % больше площади конусной поверхности иглы и на поршень воздействует пружина, игла
распылителя продолжает прижиматься к седлу.
При подаче напряжения от блока управления на электромагнит 11
шток 9 якоря поднимается и открывается шариковый управляющий клапан 8 (рис. 6.42, б). Давление в камере управления 7 падает
в результате открытия дроссельного отверстия, и топливо пропускается из зоны над поршнем управляющего клапана в зону слива.
Давление на поршень управляющего клапана падает, так как подводящее дроссельное отверстие
управляющего клапана имеет
меньшее сечение, чем отводящее.
12
11
10
9
8
7
1
6
5
4
3
2
Рис. 6.41. Разрез электрогидравлической форсунки фирмы
Bosch с шариковым клапаном:
1 — отводящий дроссель; 2 — игла;
3 — распылитель; 4 — пружина запирания иглы; 5 — поршень управляющего клапана; 6 — втулка поршня; 7 — камера управления; 8 —
шариковый управляющий клапан;
9 — шток; 10 — якорь; 11 — электромагнит; 12 — пружина клапана
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
а
261
б
11
9
8
7
5
2
Рис. 6.42. Принцип действия электрогидравлической форсунки:
а — форсунка в закрытом состоянии; б — форсунка в открытом состоянии
(позиции соответствуют позициям рис. 6.41)
Запорная игла 2 при этом под действием высокого давления в кармане распылителя 3 (см. рис. 6.41) открывается. Количество подаваемого топлива зависит от времени подачи напряжения в электромагнит 11 (см. рис. 6.42), а значит, от времени открытия шарикового управляющего клапана 8. При прекращении подачи
напряжения на электромагнит 11 якорь под действием пружины
опускается вниз, при этом шариковый управляющий клапан закрывается, давление в камере управления восстанавливается через
специальный жиклер. Под действием давления топлива на поршень 5 управляющего клапана, диаметр которого больше, чем диаметр иглы, последняя закрывается.
Вместо шарикового клапана в электрогидравлических форсунках может применяться клапан с неподвижным пальцем якоря
(рис. 6.43).
Принцип работы форсунки такого типа заключается в следующем. При отсутствии подачи тока на обмотку электромагнитной
262
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
а
5
б
6
4
5
6
4
3
3
7
2
7
2
1
1
8
8
Рис. 6.43. Клапан с неподвижным пальцем якоря:
а — форсунка в закрытом состоянии; б — форсунка в открытом состоянии;
1 — полость регулирования клапана; 2 — сливной дроссель; 3 — палец якоря;
4 — якорь; 5 — электромагнитная катушка; 6 — пружина; 7 — седло; 8 — дроссель приточного канала
катушки 5 якорь 4 электромагнитного клапана прижимается пружиной клапана к седлу 7 и перекрывает канал между регулирующей полостью клапана и обратной магистралью (рис. 6.43, а). Давление в регулирующей полости 1 клапана равно давлению в рампе
(в контуре высокого давления). Поскольку площадь сечения нажимного стержня меньше площади сечения иглы форсунки, игла
вдавливается в седло форсунки, форсунка закрыта.
Для впрыска блок управления двигателя подает напряжение
на обмотку электромагнитной катушки. Как только создаваемое
электромагнитом усилие превысит запирающее усилие пружины,
якорь электромагнитного клапана смещается вверх и открывает
сливной дроссель (рис. 6.43, б). Топливо из полости регулирования
клапана через открывшийся сливной дроссель вытекает в обратную
топливную магистраль. Давление топлива в полости регулирования клапана снижается. Дроссель 2 сливного канала предотвращает
быстрое выравнивание давления между контуром высокого давления двигателя и регулирующей полостью клапана. Игла распылителя под действием высокого давления топлива приподнимается,
и начинается впрыск.
В данной конструкции электрогидравлической форсунки, в отличие от форсунки с шариковым клапаном, якорь с неподвижным
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
263
пальцем, закрываясь, не должен преодолевать силу высокого давления, в результате для герметизации канала высокого давления
ему требуется меньшее усилие. Меньшее усилие закрывания клапана с неподвижным пальцем якоря делает возможным реализовать в три раза большее сечение открытия клапана, чем при шариковом клапане. Таким образом, клапану с неподвижным пальцем
для обеспечения вытекания такого же количества топлива из полости управления клапана требуется меньший рабочий ход. Малый рабочий ход позволяет реализовать очень малое время переключения клапана и тем самым несколько циклов впрыска за один
рабочий такт двигателя, что по времени быстродействия приближает такую форсунку к пьезоэлектрической, более дорогой.
Из-за особенностей процесса сгорания, присущих дизельным
двигателям с турбонаддувом, для уменьшения шума и снижения
выброса оксидов азота в цилиндры двигателя перед впрыском
основной дозы топлива подается небольшая его капля (1...2 мм3) —
«пилотный впрыск», которая плавно перетекает в распыление
остальной части топлива. Предварительный впрыск позволяет топливу воспламеняться быстрее. Давление и температура при этом
возрастают медленнее, чем при обычном впрыске, что уменьшает
жесткость работы двигателя и его шум с одновременным снижением выбросов окислов азота. Характер процесса двойного впрыска показан на рис. 6.44.
При холодном двигателе и в режиме, приближенном к холостому ходу, происходят два предварительных впрыска. При увеличении нагрузки предварительные впрыски один за другим прекра-
Ход иглы, мкм
250
200
Рис. 6.44. График
процесса двойного
впрыска и характер
распыления топлива
150
100
50
0
1,00
2,00
3,00
4,00
Время, мс
264
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
щаются, пока при полной нагрузке двигатель не перейдет в режим
основного впрыска. Оба дополнительных впрыска необходимы
для регенерации сажевого фильтра.
Более совершенной является такая схема сгорания, когда во
время одного рабочего такта горючая смесь будет разделена на
возможно большее количество частей. До сих пор добиться этого
было невозможно по причине инерционности традиционных фор
сунок с электромагнитным управлением.
Одним из путей совершенствования системы Common Rail яв
ляется увеличение быстродействия открытия форсунки. Мини
мальное время открытия форсунки для электромагнита с подвиж
ным сердечником составляет 0,5 мс, что не позволяет оперативно
изменять подачу топлива. Для более быстрого срабатывания фор
сунки в настоящее время применяется пьезокерамическая форсун
ка, которая работает вчетверо быстрее.
Принцип действия пьезопривода основан на обратном пьезо
электрическом эффекте, который заключается в увеличении разме
ров пьезоэлемента при приложении к нему напряжения (рис. 6.45).
Приращение длины пьезоэлемента прямо пропорционально
прилагаемому напряжению. Таким образом, можно управлять
приращением длины пьезоэлемента, изменяя напряжение на его
обкладках.
Пьезоэлемент (рис. 6.46), являющийся исполнительным эле
ментом форсунки, представляет собой параллелепипед длиной
б
Исходный размер +
приращение
Исходный размер
а
1
Рис. 6.45. Принцип действия пьезоэлемента:
2
а — состояние кристалла пьезоэлемента при отсутствии напряжения; б — со
стояние кристалла пьезоэлемента при подаче напряжения; 1 — металлические
обкладки для подвода напряжения; 2 — упрощенная структура кристалла
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
265
80 мкм
Рис. 6.46. Пьезоэлемент
30...40 мм, состоящий из спеченных между собой 300 керамических пластинок (кристаллов), расширяющийся на 80 мкм всего за
0,1 мс — этого времени достаточно, чтобы воздействовать на иглу
форсунки с усилием 6300 Н. При этом для управления пьезоэлементом используют напряжение бортовой сети автомобиля.
Для усиления пьезоэффекта в керамику добавляют палладий
и цирконий. Пьезоэлемент потребляет энергию только при подаче
напряжения и регенерирует ее при выключении напряжения, таким образом являясь генератором энергии.
Использование пьезоэлемента обеспечивает кроме быстроты
срабатывания большую силу открытия клапана сброса давления
над иглой форсунки и высокую точность хода для быстрого сброса
давления подачи топлива.
Основными составляющими электрогидравлической форсунки с пьезоэлементом (рис. 6.47) являются модуль исполнительного элемента, состоящий из пьезоэлектрического элемента, модуль
плунжера, включающий поршни, амортизатор давления и пружины, клапан переключения, иглу. Для окончательной очистки топлива применяется специальный стержневой фильтр.
Принцип работы пьезофорсунки поясняет рис. 6.48.
В состоянии покоя игла 13 форсунки (рис. 6.48, а) закрыта,
а пьезопривод выключен. В пространстве управления 15 выше
иглы распылителя и к клапану переключения 9 подается высокое
давление топлива. Клапан переключения 9 прижат в своем гнезде
за счет высокого давления топлива и усилия пружины 14 клапана
переключения. В этот момент сверху на клапан переключения не
воздействует поршень клапана 7. За счет этого высокое давление
топлива отделено от обратной топливной магистрали 4. Игла
форсунки 13 закрывается усилием пружины и высоким давлением
266
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
топлива в пространстве управления выше распылителя. В обратной топливной магистрали давление топлива составляет приблизительно 10 кгс/см2, которое поддерживается клапаном постоянного давления в обратной магистрали форсунки.
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Рис. 6.47. Разрез пьезоэлектрогидравлической форсунки:
1 — подача топлива (соединение высокого давления); 2 — электрический разъем;
3 — стержневой фильтр; 4 — обратная топливная магистраль; 5 — пьезоэлектрический элемент; 6 — сопряженный поршень; 7 — поршень клапана; 8 —
пружина клапана; 9 — клапан переключения; 10 — дроссельная перегородка;
11 — пружина распылителя; 12 — уплотнительное кольцо; 13 — игла форсунки
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
267
4
а
7
14
9
10
13
16
7
15
б
5
6
7
8
9
13
17
15
Рис. 6.48. Принцип работы пьезофорсунки:
а — игла форсунки закрыта; б — игла форсунки открыта; 4 — обратная топливная магистраль; 5 — пьезоэлектрический элемент; 6 — сопряженный поршень; 7 — поршень клапана; 8 — пружина клапана; 9 — клапан переключения;
10 — дроссельная перегородка; 13 — игла форсунки; 14 — пружина клапана
переключения; 15 — пространство управления; 16 — дроссель подачи; 17 —
сливной дроссель
268
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
Начало впрыска определяет блок управления дизельной системы
впрыска. При этом он посылает управляющие сигналы с напряжением 110...148 В на пьезопривод 5. Пьезопривод расширяется и передает усилие на сопряженный поршень 6, который сдвигает вниз
клапан переключения 9 (рис. 6.48, б). Давление над иглой форсунки
падает, так как пространство управления соединяется с обратной
магистралью 4, игла форсунки 13 при этом открывается, и происходит впрыск топлива. При прекращении подачи напряжения на
пьзоэлемент игла форсунки закрывается.
Благодаря тому что пьезофорсунки имеют намного меньшее
время срабатывания, чем традиционные электромагнитные, стало
возможным разделение горючей смеси на несколько отдельных
микродоз: после многократных предварительных впрыскиваний
очень небольших количеств горючей смеси следуют либо основное
впрыскивание, либо при необходимости многие так называемые
«послевпрыскивания» (рис. 6.49).
Время между предварительным и основным впрыскиванием
составляет 100 мс. Объем топлива, попадающего в цилиндр в момент каждого предварительного впрыскивания, составляет 1,5 мм3.
Это делается для равномерного распределения давления в камере
сгорания и, соответственно, уменьшения шума, создаваемого в процессе сгорания. Послевпрыскивания служат для снижения токсичности отработавших газов. Если в конце цикла сгорания произвести еще одно впрыскивание в цилиндр, то оставшиеся частицы
сгорают лучше. Кроме того, в случае, если во впускной системе
установлен фильтр для улавливания несгоревших частиц, такая
технология за счет высокой температуры способствует его очистУправляющее
напряжение, В
Впрыск
(интенсивность
впрыска)
Предварительный
впрыск
Основной
впрыск
Последующий
впрыск
Время
Рис. 6.49. Характер протекания процесса многоступенчатого впрыска
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
269
ке. Это особенно актуально для двигателей с большим рабочим
объемом.
Более того, сейчас стало возможным использовать до семи тактов впрыска вместо трех за один рабочий процесс. Благодаря этому появляются новые возможности для увеличения номинальной
мощности двигателя и еще более точного контроля за составом
отработавших газов.
Новое поколение форсунок позволяет регулировать не только
количество впрыска по времени и его фазы, но и подъем иглы, что
дает возможность более четко управлять процессом впрыска.
В настоящее время производители дизельной топливной аппаратуры, например фирма Bosch, разработали системы Common
Rail с давлением впрыска до 2600 кгс/см2. В этих системах форсунка отличается от традиционной тем, что максимальное давление создается не в гидроаккумуляторе, а в форсунке. Она снабжена
миниатюрным гидроусилителем давления и двумя электромагнитными клапанами, позволяющими варьировать момент впрыска
и количество топлива в пределах одного рабочего цикла. Таким
образом, здесь совмещены принципы работы Common Rail и форсунки. Форсунки с повышенным давлением впрыска соответствуют
нормам Евро-6.
Другим направлением форсунок
фирмы Bosch является устройство
в форсунках небольшого напорного
резервуара, сокращающего обратный ход к циклу низкого давления.
Это позволяет увеличить давление
впрыска и КПД системы.
1
Форсунки Common Rail совре2
менных двигателей не вворачиваются в цилиндр, а крепятся на головке блока цилиндров с помощью
прижимных пластин (рис. 6.50). Такое крепление значительно облегчает демонтаж форсунок.
Рис. 6.50. Крепление форсунки
Совершенствование подачи возCommon Rail:
духа в цилиндры двигателя с си- 1 — форсунка; 2 — прижимная
стемами Common Rail. Для улучпластина
270
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
4
3
2
1
Рис. 6.51. Вихревые заслонки во впускном трубопроводе
(на примере Audi V8-TDI):
1 — подача надувочного воздуха от охладителя; 2 — вихревые заслонки;
3 — рамка вихревых заслонок; 4 — электропривод вихревых заслонок
шения процессов смесеобразования во впускных коллекторах
современных дизельных двигателей устанавливаются вихревые
заслонки 2 (рис. 6.51) на каждый цилиндр, посредством которых
перекрываются спиральные впускные каналы при низкой частоте
вращения коленчатого вала.
Заслонки изготовлены по специальной технологии, в соответствии с которой они отливаются вместе с рамкой 3, образующей
нижнюю часть впускного коллектора. Все вихревые заслонки
одного ряда цилиндров приводятся через систему рычагов от общего для них электродвигателя.
При работе двигателя с малой частотой вращения перекрытие
спиральных впускных каналов позволяет улучшить смесеобразование и, соответственно, повысить крутящий момент. Вихревые
заслонки устанавливаются только в положениях «Открыто» и «Закрыто».
Впускные каналы (рис. 6.52) разделяются на вихревые каналы 1 и каналы наполнения 2. Воздух, поступающий через вихревой
канал, обеспечивает интенсивное перемешивание смеси. На холостом ходу и при низкой частоте вращения коленчатого вала двигателя заслонки впускных каналов закрыты. В результате этого воз-
6.4. Аккумуляторные топливные системы Common Rail
а
б
3
3
2
2
1
271
1
Рис. 6.52. Смесеобразование во впускных коллекторах Common Rail:
1 — вихревой впускной канал (для создания вихря в цилиндре); 2 — канал
наполнения; 3 — заслонка впускного канала
никает интенсивное вихревое движение, обеспечивающее хорошее
смесеобразование. Положение заслонок впускных каналов регулируется по сигналам блока управления в зависимости от нагрузки
двигателя и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Благодаря этому в каждом режиме работы двигателя в камере сгорания
формируется оптимальное вихревое движение воздуха.
При частоте вращения коленчатого вала свыше 3000 об/мин
заслонки впускных каналов 3 полностью открыты. Благодаря повышению пропускной способности заслонок обеспечивается хорошее наполнение камер сгорания. При пуске двигателя, в аварийном режиме и при полной нагрузке заслонки впускных каналов
полностью открыты.
272
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
6.5. Топливные системы
с насосами‑форсунками
Системы дизельной топливной аппаратуры насос — форсунка
начали применяться на грузовых автомобилях с 1994 г. и легковых
с 1998 г. Модульная конструкция систем питания дизельных двигателей с насосами-форсунками позволяет устанавливать их без
особых затрат времени на двигатели различных конструкций.
Недостатком насосов-форсунок является увеличение высоты
головки блока цилиндров, что, в свою очередь, увеличивает высоту
двигателя.
Насосы-форсунки состоят из трех подсистем: подачи топлива
низкого давления, подачи топлива высокого давления, подачи воздуха и выпуска отработавших газов.
Подсистема подачи топлива низкого давления необходима для
подачи топлива к насосу высокого давления и очистки топлива.
Подсистема подачи топлива высокого давления служит для создания высокого давления впрыска топлива в камеру сгорания.
Подсистема подачи воздуха и выпуска отработавших газов включает в себя приборы для очистки воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, и очистки отработавших газов после выпуска их из
цилиндров.
Основные компоненты системы питания дизельного двигателя
с насосами-форсунками показаны на рис. 6.53.
Расположенный в баке электрический топливоподкачивающий
насос 15 подкачивает топливо к фильтру. Обратный клапан 12 предотвращает слив топлива из распределителя 7 и трубопровода 14
низкого давления в бак после остановки двигателя.
Топливоподающий насос 10 служит для забора топлива из фильтра и подачи его под повышенным давлением к насосам-форсункам.
Редукционный клапан 11 поддерживает давление подаваемого к на
сосам-форсункам топлива в пределах 8,5 кгс/см2. Ограничительный клапан 5 удерживает давление топлива в сливном трубопроводе на уровне 1 кгс/см2, благодаря чему снижаются пульсации
давления в системе.
Из-за высокого давления впрыска в топливных системах дизелей легковых автомобилей с насосами-форсунками и в некоторых
273
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками
3
4
2
5 6
14
7 8 9
13
12
1
15
11
10
Рис. 6.53. Система питания дизельного двигателя с насосами-форсунками:
1 — топливный бак; 2 — топливопровод к дополнительному отопителю; 3 —
охладитель топлива; 4 — датчик температуры топлива; 5 — ограничительный
клапан в сливном трубопроводе; 6 — сливной трубопровод; 7 — распределитель топлива; 8 — трубопровод высокого давления; 9 — насос-форсунка; 10 —
топливоподающий насос; 11 — редукционный клапан в трубопроводе подачи
топлива; 12 — обратный клапан; 13 — топливный фильтр; 14 — трубопровод
низкого давления; 15 — топливоподкачивающий насос
системах Common Rail топливо нагревается до такой степени, что
для предотвращения повреждения топливного бака и датчика
уровня топлива оно должно охлаждаться перед возвратом в бак.
Топливо, возвращающееся от форсунок, проходит через охладитель 3, отдавая тепло в контуре охлаждения. Датчик 4 температуры топлива вырабатывает сигнал, поступающий в блок управления двигателем.
От фильтра топливо подается в питающую магистраль в головке блока, откуда течет по внутренним стенкам распределителя 7
топлива в направлении первого цилиндра. Через отверстия в стенках топливо подается в кольцевую полость между распределителем и стенками головки блока (рис. 6.54).
Здесь топливо смешивается с нагретым топливом, которое выдавлено от насосов-форсунок в питающую магистраль. Благодаря
этому достигается одинаковая температура, а значит, и одинаковое
количество топлива, поступающего ко всем насосам-форсункам,
274
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
Топливо
от насоса
форсунки
Смешивание
топлива в кольцевой
полости
Топливо
к насосу
форсунке
Рис. 6.54. Смешивание
топлива в распределителе
Отверстия в стенке
что обеспечивает равномерную работу двигателя. Без распределителя топливо поступало бы в насосы-форсунки неравномерно. Нагретое топливо, выжимаемое от насосов-форсунок в питающую
магистраль, продвигалось бы поступающим топливом от четвертого цилиндра в направление первого цилиндра. Из-за этого температура топлива повышалась бы от четвертого цилиндра к первому
и к насосам-форсункам поступало бы различное количество топлива. Следствием этого была бы неравномерная работа двигателя
и слишком высокая температура в зоне передних цилиндров.
Топливоподкачивающий насос. Может быть как с внутренним
зацеплением шестерен (рис. 6.55), так и шиберным.
4 5
3
2
1
6
Рис. 6.55. Топливоподкачивающий
насос с внутренним зацеплением
шестерен:
1 — подача топлива к насосам-форсун
кам; 2 — возврат топлива от насосовфорсунок; 3 — редукционный клапан на
стороне возврата топлива; 4 — сетчатый
фильтр; 5 — редукционный клапан на
стороне подачи топлива; 6 — подача топлива из бака
275
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками
Давление подаваемого насосом топлива регулируется редукционным клапаном 5.
При частоте вращения коленчатого вала 4000 об/мин давление
топлива может повышаться до 11,5 кгс/см2. Установленный в системе возврата топлива редукционный клапан 3 поддерживает в ней
давление порядка 1 кгс/см2. Благодаря этому снижаются пульсации потока топлива, действующего на электромагнитные клапаны
насосов-форсунок.
Топливоподкачивающий насос шиберного типа конструктивно
выполнен как роторный насос (рис. 6.56).
В этой конструкции подкачивающего насоса, применяемого
в дизелях легковых автомобилей с насосами-форсунками, две отдельно расположенные лопатки прижимаются пружинами 3 к ротору 1. Топливный насос шиберного типа работает по принципу
всасывания при увеличении объема камер и подачи при уменьшении их объема. Топливо засасывается и подается попеременно двумя
камерами из четырех. Всасывающие и напорные камеры отделены
шиберными заслонками.
При вращении ротора объем на стороне всасывающей полости 2
увеличивается и топливо попадает в две камеры. При дальнейшем
5
2
3
4
2
1
5
4
3
Рис. 6.56. Схема лопастного насоса с отдельно
расположенными лопатками:
1 — ротор; 2 — сторона всасывания; 3 — пружины;
4 — отдельные лопатки; 5 — сторона нагнетания
276
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
вращении ротора объем камеры уменьшается и топливо выталкивается из камер в выходной канал давления 5. Такой насос подает
топливо даже при очень низкой частоте вращения.
Как правило, топливоподкачивающий насос располагается непосредственно за вакуумным насосом на головке блока цилиндров.
Оба насоса имеют общий привод от распределительного вала и поэтому составляют единый тандемный насос.
Насосы-форсунки могут иметь электрический (соленоидный)
или пьезоэлектрический клапан управления.
Насос-форсунка с электрическим клапаном управления представляет собой одноцилиндровый насос высокого давления, индивидуальный для каждого цилиндра двигателя (рис. 6.57).
Внутри корпуса насоса-форсунки имеется цилиндрическая полость высокого давления. Соленоидный клапан монтируется как
одно целое с насосом-форсункой. Насос-форсунка крепится к головке блока с помощью прижимной скобы. В приводе насосафорсунки, в отличие от привода механизма газораспределения,
отсутствуют тепловые зазоры, так как здесь с помощью возвратной пружины осуществляется постоянный контакт между толкателем плунжера, коромыслом и кулачком приводного вала.
Быстродействующий соленоидный клапан в соответствии с параметрами, определяемыми блоком управления, регулирует время
начала впрыска топлива и его конец. В отключенном положении
соленоидный клапан открыт и обеспечивает полное прохождение
топлива от топливоподкачивающего насоса к подплунжерному
пространству насоса. Во время хода плунжера 3 насоса-форсунки
соленоидный клапан перекрывает подачу топлива, герметизируя
плунжерную пару, и при ходе плунжера вниз происходит впрыск
топлива через форсунку в камеру сгорания. Момент закрытия соленоидного клапана регулирует начало впрыска и его продолжительность. По сравнению с впрыском бензиновых двигателей электромагнитный клапан должен управлять давлением в 300–500 раз
большим, при этом переключение клапана происходит в 10–20 раз
быстрее.
Использование насоса-форсунки исключает применение топливопроводов высокого давления, благодаря чему снижаются потери
давления при подаче топлива из-за периодических расширений
топливопроводов в начале подачи и при разгрузке в конце подачи.
277
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками
28
27
1
2
3
4
26
5
6
7
8
9
25
24
23
10
22
11
12
13
14
21
15
20
16
17
18
19
Рис. 6.57. Насос-форсунка (РDЕ):
1 — сферический упор; 2 — возвратная пружина; 3 — плунжер насоса; 4 —
корпус; 5 — сердечник электромагнита; 6 — якорь электромагнита; 7 — штекер для подачи управляющего сигнала; 8 — выравнивающая пружина; 9 — игла
соленоидного клапана; 10 — катушка электромагнита; 11 — канал обратного
слива топлива; 12 — уплотнение; 13 — отверстия-фильтры подвода топлива
(350 шт.); 14 — гидроупор; 15 — гайка распылителя; 16 — уплотнительная
шайба; 17 — игла распылителя; 18 — седло иглы; 19 — камера сгорания; 20 —
распылитель; 21 — головка блока; 22 — пружина распылителя; 23 — уравнивающий поршень; 24 — полость аккумулирования топлива; 25 — полость высокого давления; 26 — пружина электромагнитного клапана; 27 — вал привода
насоса-форсунки; 28 — коромысло
278
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
Максимальное давление, развиваемое насосом-форсункой, составляет 2050 кгс/см2. Электронные трехмерные параметрические характеристики в комбинации с высоким давлением впрыска обусловливают снижение потребления топлива при одновременном
снижении выброса токсичных веществ, что имеет большое значение, принимая во внимание строгие требования соблюдения европейских стандартов. Соленоидный клапан позволяет реализовать
предварительный (пилотный) впрыск и отключение отдельных
цилиндров при частичных нагрузках, что уменьшает расход топлива.
Соленоидный клапан. Основные задачи соленоидного клапана: обеспечение точного времени начала впрыска топлива относительно угла поворота коленчатого вала двигателя на различных
режимах работы, продолжительности впрыска и количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя.
Соленоидный клапан можно разделить на две группы — соленоидную и клапанную. Клапанная группа состоит из игольчатого
клапана 2 (рис. 6.58), корпуса 17 клапана, составляющего одно
целое с корпусом насоса, и пружины клапана 1.
Уплотнительная плоскость 10 корпуса клапана имеет конусо
образную форму. Посадочная поверхность 11 клапана имеет точно
такую форму, однако угол конуса клапана немного больше угла
конуса его корпуса. Когда клапан закрыт и прижат к корпусу, корпус и клапан соприкасаются только по линии седла клапана, благодаря чему достигается очень хорошее его уплотнение. Клапан
и его корпус составляют прецизионную пару и очень плотно подогнаны друг к другу.
Магнит состоит из ярма магнитопровода и подвижного якоря 13. Ярмо включает магнитный сердечник 14, катушку 6 и штекеры 8 выводных контактов. Якорь соединен с клапаном. Между
магнитным ярмом и якорем в исходном положении имеется зазор.
Принцип действия соленоидного клапана. Электромагнитный
клапан имеет два переключаемых положения — «Клапан открыт»
и «Клапан закрыт». Клапан открыт, когда напряжение питания на
катушку не подается. Клапан закрывается при подаче напряжения
питания от задающего каскада ЭБУ.
«Клапан открыт». Под усилием пружины 1 клапан 2 прижимается к упору 7, в результате чего обеспечивается проход топлива
279
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками
1
2
3
4 5
6
7
8
X
9 10 11
X 17 16 15 14 13
12
Рис. 6.58. Соленоидный клапан для легковых автомобилей:
1 — пружина клапана; 2 — игольчатый клапан; 3 — камера высокого давления;
4 — камера низкого давления; 5 — компенсационная шайба; 6 — катушка; 7 —
упор; 8 — штекер; 9 — щель для прохода топлива; 10 — уплотнительная плоскость корпуса клапана; 11 — посадочная поверхность клапана; 12 — уравнительная пружина; 13 — якорь; 14 — магнитный сердечник; 15 — магнитный
диск; 16 — накидная гайка; 17 — корпус; X — увеличенное изображение
через щель 9 между иглой и корпусом в области седла клапана.
При этом камеры высокого 3 и низкого 4 давления соединены
между собой. В этом исходном положении топливо может как втекать в камеру высокого давления, так и вытекать из нее.
«Клапан закрыт». Когда наступает момент впрыска топлива,
на катушку клапана подается напряжение питания от задающего
каскада ЭБУ. Ток срабатывания вызывает магнитный поток в элементах магнитного контура (магнитный сердечник и якорь), который генерирует силу магнитного притяжения для перемещения
якоря к статору. В результате движение якоря останавливается
иглой при ее посадке на седло в корпусе. При этом между якорем
и статором остается небольшой воздушный зазор. Теперь клапан
закрыт, и при движении плунжера насоса-форсунки вниз осуществляется впрыск топлива.
Сила магнитного притяжения используется не только для
подтягивания якоря, но и для преодоления силы действия пружины клапана и, соответственно, удерживания якоря. Кроме того,
сила магнитного притяжения прикладывается к уплотнительным
280
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
поверхностям седла для соприкосновения их друг с другом. Якорь
находится в данном положении до тех пор, пока на катушку клапана подается напряжение питания.
Чем сильнее магнитный поток, тем ближе к статору располагается якорь. После закрытия клапана можно уменьшить ток до
удерживающего уровня. Клапан, таким образом, остается закрытым, а потери мощности и, следовательно, выделение тепла оказываются минимальными.
Для прекращения процесса впрыска топлива должна быть остановлена подача напряжения на катушку клапана, в результате чего
магнитный поток исчезает, как и сила магнитного притяжения,
и пружина перемещает иглу клапана в ее исходное положение на
упоре. Проход топлива через седло клапана открывается.
Принцип действия насоса-форсунки. Работу насоса-форсунки
можно разделить на четыре хода плунжера: ход наполнения; предварительный ход; ход нагнетания и процесс впрыска топлива; окончание процесса впрыска (рис. 6.59).
Ход наполнения. При движения плунжера вверх под воздействием возвратной пружины топливо при постоянном давлении
поступает по каналу 7 от подкачивающего насоса в полость соленоидного клапана 6, который открыт, так как на него не подается
ток (рис. 6.59, а). По каналам топливо попадает в полость 4 высокого давления.
Предварительный ход. Кулачок приводного вала, поворачиваясь (рис. 6.59, б), начинает оказывать давление на плунжер 2, который движется вниз. Соленоидный клапан открыт, и топливо под
давлением движущегося вниз плунжера 2 вытесняется через выпускной канал 8 в систему низкого давления.
Ход нагнетания и процесс впрыска топлива (см. рис. 6.59, в). От
блока управления на обмотку 9 соленоидного клапана подается
напряжение, и якорь соленоидного клапана под воздействием созданного электромагнитного поля закрывает клапан, преодолевая
сопротивление пружины клапана. Сила магнитного потока при
этом должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить необходимое уплотнение между плоскостями седла 10 клапана и иглой 11
форсунки. Чем ближе якорь расположен к ярму, тем больше сила
прижатия клапана к седлу, что позволяет снизить ток управления соленоидным клапаном, уменьшая расход электроэнергии,
281
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками
а
б
1
2
3
4
в
г
9
IS
hM
5
6
10
8
7
11
Ток катушки
a б
в
hN
г
IS
Ход иглы электромагнитного клапана
hM
Давление впрыска
Pe
Ход иглы распылителя форсунки
hN
ВМТ
Угол поворота коленчатого вала
Рис. 6.59. Принцип действия насоса-форсунки:
а — ход наполнения; б — предварительный ход; в — ход нагнетания и процесс
впрыска топлива; г — окончание процесса впрыска; 1 — кулачок приводного
вала; 2 — плунжер; 3 — возвратная пружина; 4 — полость высокого давления;
5 — клапан соленоида; 6 — полость соленоидного клапана; 7 — впускной канал; 8 — выпускной канал; 9 — обмотка соленоида; 10 — седло клапана; 11 —
игла форсунки; IS — сила тока в обмотке электромагнита; hМ — ход электромагнитного клапана; Pe — давление впрыска; hN — ход иглы форсунки
282
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
и сохранить закрытое положение клапана. Сообщение между полостями высокого и низкого давления при этом перекрывается.
Закрытие соленоидного клапана приводит к изменению тока обмотки 9, что определяется блоком управления как начало подачи
топлива.
Давление топлива в полости высокого давления при движении
плунжера возрастает. Одновременно повышается давление и в полости распылителя форсунки. При достижении давления начала
подъема иглы распылителя около 300 кгс/см2 она слегка приподнимается и начинается впрыск топлива в камеру сгорания (фактическое начало впрыска или начало подачи). Давление впрыска постоянно увеличивается по мере хода плунжера насоса.
Окончание процесса впрыска (рис. 6.59, г). При прекращении
подачи тока на обмотку соленоида клапан приоткрывается и сообщение между полостями высокого и низкого давления снова
восстанавливается. В момент переходной фазы между ходом нагнетания и окончанием процесса впрыска достигается наибольшее
давление нагнетания. В зависимости от типа насоса-форсунки оно
составляет 1800...2050 кгс/см2. После полного открытия электромагнитного клапана давление резко падает, игла форсунки при
этом закрывает отверстие распылителя, усилием пружины клапан
устанавливается в исходное положение, и процесс впрыска заканчивается.
Предварительный впрыск. Как отмечалось ранее, для снижения
шума и выброса токсичных веществ в форсунках, в том числе
и в насосах-форсунках, может применяться предварительный
впрыск. Такой впрыск можно подразделить на четыре фазы: исходное состояние, начало предварительного впрыска, конец предварительного впрыска и начало основного впрыска (рис. 6.60).
И с х о д н о е с о с т о я н и е (рис. 6.60, а). Игла 7 форсунки
и разгрузочный поршень 3 прижаты к своим седлам, соленоидный
клапан открыт, поэтому давление под плунжером отсутствует.
Н а ч а л о п р е д в а р и т е л ь н о г о в п р ы с к а (рис. 6.60, б).
Соленоидный клапан закрывается, плунжер начинает двигаться
вниз, и давление под плунжером возрастает. При достижении давления открытия игла форсунки приподнимается и начинается
впрыск. В этой фазе ход иглы форсунки зависит только от давления под плунжером.
283
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками
а
б
в
г
1
2
3
4
5
6
7
Рис. 6.60. Предварительный впрыск:
а — исходное состояние; б — начало предварительного впрыска; в — конец
предварительного впрыска; г — начало основного впрыска; 1 — плунжер; 2 —
полость высокого давления; 3 — разгрузочный поршень; 4 — разгрузочная
полость; 5 — пружина; 6 — корпус пружины; 7 — игла форсунки
К о н е ц п р е д в а р и т е л ь н о г о в п р ы с к а (рис. 6.60 в).
При дальнейшем движении плунжера вниз давление под плунжером возрастает в большей степени и разгрузочный поршень 3,
преодолевая сопротивление пружины, отходит от своего седла.
При этом открывается проход топлива от полости высокого давления 2 в разгрузочную полость 4. В этот момент давление под
иглой форсунки падает и игла закрывается, впрыск прекращается.
Во время предварительного впрыска через форсунку подается
около 1,5 мм3 дизельного топлива, что разогревает камеру сгорания и позволяет топливу воспламеняться быстрее.
Н а ч а л о о с н о в н о г о в п р ы с к а (рис. 6.60, г). При дальнейшем движении плунжера вниз давление под ним продолжает
возрастать. Когда давление достигает 2050 кгс/см2, форсунка снова открывается и начинается основной впрыск.
В момент открытия соленоидного клапана впрыск прекращается, разгрузочный поршень и игла форсунки занимают исходное
положение.
Насос-форсунка с пьезоэлектрическим клапаном управления
отличается от насоса-форсунки с соленоидным клапаном приводом клапана управления моментами начала и окончания подачи
284
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
топлива. Пьезоэлектрический клапан обладает значительно большим быстродействием, чем соленоидный.
Пьезоэлектрический клапан состоит из пьезопривода в корпусе
со штекерным разъемом, рычажного мультипликатора 4 и иглы 13
клапана, перемещающейся в корпусе насоса-форсунки (рис. 6.61).
Ход пьезопривода равен приблизительно 0,04 мм. Однако полный ход иглы 13 клапана должен быть порядка 0,1 мм. Чтобы решить
эту задачу, между пьезоприводом и иглой клапана устанавливают
рычажный мультипликатор 4 с соответствующим передаточным
отношением.
При отсутствии управляющего напряжения пьезопривод находится в исходном положении. При этом клапан открыт, так как
его игла поднимается с седла под действием возвратной пружины.
2
а
2
б
в
3
4
1
12
11
10
9
5
14
13
5
1
14
13
5
13
6
6
7
11
8
8
15
9
12
11
16
8
10
9
Рис. 6.61. Схема и принцип работы пьезоэлектрического насосафорсунки в режиме впрыска запальной дозы топлива:
а — процесс наполнения полости под плунжером; б — начало впрыска запальной
дозы топлива; в — завершение впрыска запальной дозы топлива; 1 — кулачок
привода насоса-форсунки; 2 — роликовое коромысло; 3 — пружина плунжера;
4 — рычажный мультипликатор; 5 — пьезоэлектрический клапан; 6 — полость
высокого давления; 7 — магистраль слива топлива; 8 — магистраль подвода
топлива; 9 — игла распылителя; 10 — запорный поршень; 11 — пружина форсунки; 12 — обратный клапан; 13 — игла клапана; 14 — плунжер; 15 — демпфирующий объем над иглой; 16 — дроссель в канале подвода топлива
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками
285
При подаче напряжения нажимная пластина приводит в действие
мультипликатор, который обеспечивает перемещение иглы клапана практически на 0,1 мм. Клапан закрывается, а в полости под
плунжером начинает подниматься давление.
Принцип действия насоса-форсунки с пьезоэлектрическим
клапаном управления. Впрыск запальной дозы топлива. П р о ц е с с
н а п о л н е н и я п о л о с т и п о д п л у н ж е р о м (рис. 6.61, а).
Плунжер поднимается под действием его пружины вслед за поворотом кулачка и роликового коромысла насоса-форсунки. Кулачку
придана несимметричная форма, которая обеспечивает перемещение плунжера вверх с пониженной скоростью. При этом полость
под плунжером заполняется топливом, поступающим через открытый пьезоэлектрический клапан из магистрали 8 его подвода к на
сосу-форсунке.
Н а ч а л о в п р ы с к а (рис. 6.61, б). При набегании кулачка на
ролик коромысло поворачивается и перемещает плунжер вниз
с относительно большой скоростью. Вытесняемое плунжером топливо перетекает в каналы низкого давления до тех пор, пока не
закроется пьезоэлектрический клапан. После его закрытия давление топлива в полости под плунжером начинает быстро расти.
При повышении давления до 130 кгс/см2 преодолевается усилие
затяжки пружины 11 форсунки. В результате этого игла распылителя поднимается и начинается впрыск запальной дозы топлива.
При этом движение иглы распылителя демпфируется топливом,
вытесняемым из объема 15 между ее торцом и корпусом форсунки.
Ограничение подъема иглы необходимо для повышения точности
подачи малых доз топлива, используемых для предварительного
впрыска.
З а в е р ш е н и е в п р ы с к а (рис. 6.61, в). Впрыск запальной
дозы топлива заканчивается в результате открытия пьезоэлектрического клапана. Давление вытесняемого плунжером топлива снижается вследствие слива его в магистраль 8, служащую для его
подвода к насосу-форсунке. Игла распылителя опускается на седло под действием пружины форсунки и поддерживающего ее давления топлива, которое поступает в полость пружины форсунки
через обратный клапан 12. Это давление создается дросселем 16,
установленным во внутреннем канале подвода топлива. Действующее в полости пружины давление топлива передается посредством
запорного поршня 10 на иглу распылителя и ускоряет ее посадку.
286
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
В зависимости от режима работы двигателя блок управления
может инициировать впрыск одной или двух запальных доз топлива.
Впрыск основной дозы топлива. Н а ч а л о в п р ы с к а (рис. 6.62, а).
Впрыск основной дозы топлива производится при продолжающемся движении плунжера вниз. После посадки на седло иглы
пьезоэлектрического клапана начинает повышаться давление в распылителе, игла которого поднимается с седла только при относительно большом давлении, соответствующем суммарному усилию
затяжки пружины форсунки и усилию, создаваемому давлением
топлива в полости пружины. Повышенное давление топлива в полости пружины форсунки создается после впрыска запальной дозы
топлива и удерживается в ней благодаря обратному клапану 12.
Это давление действует на запорный поршень 10 форсунки. Мака
б
5
14
13
17
14
13
5
12
12
11
11
7
8
10
10
9
9
Рис. 6.62. Схема и принцип работы пьезоэлектрического насоса-форсунки
в режиме впрыска основной дозы топлива:
а — начало впрыска; б — завершение впрыска (позиции соответствуют
позициям рис. 6.61); 17 — охлаждающий канал
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками
287
симальное давление впрыска на режиме максимальной мощности
достигает 2200 кгс/см2.
З а в е р ш е н и е в п р ы с к а (рис. 6.62, б). Впрыск основной
дозы топлива заканчивается вследствие открытия пьезоэлектрического клапана. Как и при окончании впрыска запальной дозы, давление топлива снижается в результате его слива в топливоподводящий канал и в полость пружины форсунки. Посадка иглы распылителя на седло производится под суммарным действием пружины
и запорного поршня.
Для регенерации сажевого фильтра может применяться дополнительный впрыск. Процесс впрыска дополнительного топлива
практически не отличается от процесса впрыска основного топлива, но характеризуется существенно меньшими давлением и количеством впрыскиваемого топлива ввиду меньшей продолжительности его подачи.
Особенности ременного привода газораспределительного механизма. В дизельных двигателях, оборудованных насосами-фор
сунками, на зубчатый ремень при впрыске топлива воздействуют
значительные нагрузки. Зубчатое колесо при нажатии коромысла
на плунжер насоса-форсунки замедляется, зубчатое колесо коленчатого вала одновременно ускоряется при сгорании топлива.
Вследствие этого ремень растягивается и расстояние между зубьями ремня существенно увеличивается. Этот процесс периодически
повторяется, потому что одни и те же зубья зубчатого колеса входят в зацепление с зубчатым ремнем.
При наличии зубчатого колеса коленчатого вала с одинаковыми расстояниями между зубьями зубья ремня наталкиваются на
края зубьев зубчатого колеса при увеличенной нагрузке на ремень
во время впрыска топлива. Следствием этого являются значительный износ и небольшой срок службы зубчатого ремня. Чтобы устранить последствия этого явления на ремне и разгрузить ремень при
впрыске топлива, на зубчатом колесе коленчатого вала имеются две
пары зубьев с увеличенным расстоянием между ними по сравнению
с расстоянием между другими зубьями (рис. 6.63). Это позволяет
компенсировать изменение расстояния между зубьями зубчатого
колеса и тем самым уменьшить износ зубчатого ремня.
При пуске двигателя блоку управления двигателя необходимо знать, в каком цилиндре происходит такт сжатия для подачи
288
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
2
Рис. 6.63. Шкив коленчатого вала
с увеличенным расстоянием
между зубьями:
1
1 — увеличенное расстояние между
зубьями; 2 — основное расстояние
между зубьями
команды на впрыск соответствующему электромагнитному (пьезо
электрическому) клапану. Для опознания номера цилиндра при
пуске двигателя может служить сигнал от датчика Холла, который
считывает информацию по положению зубьев ротора на распределительном валу и тем самым определяет положение распределительного вала. При отсутствии сигнала от датчика Холла блок
управления использует сигнал от датчика частоты вращения двигателя G28.
Поскольку распределительный вал за рабочий цикл двигателя
делает один оборот на 360°, на роторе распределительного вала на
каждый цилиндр приходится по одному зубу, расположенному
под 90° от двух соседних зубьев. Чтобы можно было опознать принадлежность каждого зуба определенному цилиндру, на роторе
имеются дополнительные зубья для 1, 2 и 3-го цилиндров, расположенные на разных расстояниях от основных зубьев (рис. 6.64).
Цилиндр 3
Цилиндр 4
Цилиндр 1
90
Цилиндр 2
Рис. 6.64. Ротор распределительного вала
289
6.5. Топливные системы с насосами‑форсунками
Каждый раз, когда какой-либо зуб проходит мимо датчика
Холла, в нем возникает напряжение, сигнал о котором передается
блоку управления двигателя. Поскольку все зубья размещены на
разном расстоянии один от другого, сигналы от датчика Холла поступают через разные промежутки времени. Вследствие этого блок
управления двигателя опознает соответствующий цилиндр, что
дает возможность дать сигнал на срабатывание нужному электромагнитному клапану.
Для того чтобы обеспечить быстрый пуск двигателя, блок управления двигателя оценивает сигналы от датчика Холла и датчика
частоты вращения двигателя (рис. 6.65). По сигналу от датчика
Холла, который подается по положению ротора на распределительном валу, опознается цилиндр. По двум пропускам зубьев на
роторе на коленчатом валу блок управления двигателя уже после
пол-оборота коленчатого вала получает исходный сигнал. Благодаря этому блок управления двигателя рано опознает положение
коленчатого вала по отношению к цилиндрам и может подать сигнал на электромагнитный клапан соответствующей насос-фор
сунки для осуществления впрыска топлива.
Впускная заслонка с электроприводом. Во впускном трубопроводе дизелей с насосами-форсунками предусмотрена заслонка 1
с электроприводом (рис. 6.66), способствующая выполнению норм
выброса токсичных веществ с ОГ. Бесступенчатое изменение ее
положения позволяет создавать разрежение во впускной системе,
Один оборот распределительного вала
Цилиндр 1
Цилиндр 3
Один оборот
коленчатого вала
Цилиндр 4
Цилиндр 2
Сигнал
от датчика
Холла
Сигнал
от датчика
частоты вращения
коленчатого вала
Рис. 6.65. Поступление сигналов от датчика Холла и датчика частоты
вращения двигателя
290
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
а
б
4
3
1
5
1
3
2
2
Рис. 6.66. Впускная заслонка с электроприводом:
а — общий вид; б — схема подключения; 1 — впускная заслонка; 2 — электродвигатель; 3 — возвратная пружина; 4 — электронный регулятор; 5 — блок
управления двигателем
необходимое для эффективной рециркуляции ОГ на всех скоростных режимах работы двигателя. Кроме того, закрытие заслонки
при остановке двигателя приводит к существенному снижению
наполнения цилиндров воздухом и уменьшению в результате этого колебаний двигателя на подвеске.
Изменение положения впускной заслонки производится по
сигналу блока управления двигателем 5, поступающему на электродвигатель 2 ее привода. Действительный угол поворота заслонки определяется с помощью датчика ее положения. Встроенный
в корпус заслонки электронный регулятор 4 обрабатывает сигнал
этого датчика и управляет приводом заслонки до достижения задаваемого значения. Возвратная пружина 3 выполняет аварийную
функцию, открывая впускную заслонку при прекращении питания электродвигателя.
6.6. Топливные системы
насос — форсунка — трубопровод
Система дизельной топливной аппаратуры насос — форсунка — трубопровод (PLD) является модульной конструкцией, которая позволяет производить впрыск топлива в каждый отдельный
цилиндр. Каждый цилиндр двигателя питается отдельным модулем со следующими компонентами: выполненный как одно целое
291
6.6. Топливные системы насос — форсунка — трубопровод
насос высокого давления; быстродействующий соленоидный клапан; короткая линия высокого давления; форсунка. Общий вид
системы показан на рис. 6.67.
Привод отдельных топливных насосов 3 высокого давления
осуществляется кулачками распределительного вала 4 двигателя.
Начало и конец впрыска в зависимости от режима работы двигателя регулируются быстро срабатывающим электромагнитным
клапаном 7.
Электромагнитный клапан точно управляет временем начала
и продолжительностью впрыска топлива в соответствии с программой. В открытом состоянии он позволяет плунжеру насоса
заполнять рабочую полость во время такта впуска и впрыскивать
топливо в заданное время. Область высокого давления герметизируется только во время такта подачи, когда соленоид срабатывает
5
6
1
7
2
8
3
9
4
Рис. 6.67. Общий вид системы дизельной топливной аппаратуры
насос — форсунка — трубопровод:
1 — форсунка; 2 — камера сгорания; 3 — отдельный топливный насос высокого давления; 4 — распределительный вал; 5 — кронштейн топливопровода
высокого давления; 6 — топливопровод высокого давления; 7 — электромагнитный клапан; 8 — возвратная пружина; 9 — роликовый толкатель
292
Глава 6. Дизельная топливная аппаратура
1
2
3
4
5
6
7
8
9
15
16
17
18
19
20
10
21
11
22
23
24
12
13
25
26
14
Рис. 6.68. Схематическое расположение системы дизельной топливной
аппаратуры насос — форсунка — трубопровод:
1 — форсунка; 2 — штуцер форсунки; 3 — трубопровод высокого давления;
4 — накидная гайка; 5 — упор; 6 — игла электромагнитного клапана; 7 — пластина; 8 — корпус насоса; 9 — полость высокого давления; 10 — плунжер;
11 — блок двигателя; 12 — тарелка пружины; 13 — ось роликового толкателя;
14 — кулачок; 15 — пружина электромагнитного клапана; 16 — корпус клапана с обмоткой электромагнита; 17 — пластина якоря; 18 — промежуточная
пластина; 19 — уплотнение; 20 — вход топлива низкого давления; 21 — слив
топлива; 22 — плунжер; 23 — пружина толкателя; 24 — тарелка толкателя;
25 — роликовый толкатель; 26 — ролик толкателя
6.6. Топливные системы насос — форсунка — трубопровод
293
на закрытие клапана. Подача топлива к форсунке начинается, как
только превышается давление открытия.
Использование системы PLD позволяет создавать давление
впрыска до 2000 кгс/см2. Высокое давление впрыска согласуется
с электронным управлением с обратной связью, которое основывается на данных, записанных в памяти электронного блока управления, что дает возможность снизить расход топлива и токсичность
отработавших газов. Система PLD, так же как и система с насосомфорсункой, может управлять отключением отдельных цилиндров,
осуществлять предварительный впрыск. Высокое давление топлива позволяет выполнить все требования по токсическим выбросам
при одновременном малом потреблении топлива. Системы PLD
предназначены в основном для грузовых автомобилей и автобусов.
Схематическое расположение в разрезе топливной системы насос — форсунка — трубопровод показано на рис. 6.68.
Топливопроводы высокого давления очень короткие и имеют
одинаковую длину для всех форсунок. Работают они в условиях
высоких давлений и высокочастотных колебаний, поэтому должны быть очень прочными. Чтобы обеспечить надежность работы,
их изготавливают из высокопрочных бесшовных стальных трубок.
Насос приводится непосредственно от кулачкового вала двигателя. Связь между плунжером насоса и кулачковым валом осуществляется через пружину и роликовый толкатель.
Основные преимущества систем PLD перед насосами-форсун
ками:
простота в обслуживании, благодаря раздельному расположению насоса и форсунки;
меньшая высота двигателя, вследствие отдельного расположения в головке цилиндров насоса и форсунки;
упрощенный монтаж форсунки;
головка блока цилиндров такая же, как в обычных двигателях, и отсутствие необходимости в ее изменении, поскольку насос
крепится сбоку двигателя;
отсутствие приводных рычагов насоса, так как привод осуществляется от роликового толкателя, что упрощает конструкцию.
ГЛАВА
7
ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ
ДВИГАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ
НА ГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ
В последние годы в связи с обостряющейся нехваткой нефти
разработаны и реализуются различн ые национальные программы
по рациональному и экономному ее расходованию. Наиболее эффективное решение — замещение нефтяного топлива альтернативным — сжиженным нефтяным (СНГ) или сжатым природным (СПГ)
газом, являющимися полноценным моторным топливом. Целесо
образность использования газа в качестве топлива для ДВС подтверждается его широким использованием в Беларуси, Германии,
Италии, США, Японии, Канаде, Нидерландах и других странах.
Автомобильное газобаллонное оборудование — это газодорирующая система, установка которой позволяет использовать газ
в качестве автомобильного топлива (вместо бензина). При этом
газобаллонное оборудование встраивается в автомобиль дополнительно, «поверх» бензинового, и может использоваться опционально.
7.1. Электронные системы питания двигателя,
работающего на сжиженном нефтяном газе
Система питания двигателей легковых автомобилей с использованием сжиженного нефтяного газа может работать по принципу как карбюрации, так и впрыска.
Система питания для сжиженного газа, работающая по принципу карбюрации, используется как на двигателях, работающих
7.1. Системы питания двигателя, работающего на сжиженном нефтяном газе
295
1
6
7
4
3
2
5
9
11
8
10
15
–
12
13
+
14
Оборудование для работы на бензине
Рис. 7.1. Система питания для сжиженного газа, работающая по принципу
карбюрации, установленная на бензиновом двигателе с электронной
системой впрыска:
1 — вентиляционная трубка для газового ресивера; 2 — ресивер со сжиженным
газом; 3 — арматура газового ресивера; 4 — наполнительный клапан; 5 — клапан
перекрытия газа; 6 — редуктор-испаритель; 7 — серводвигатель для управления расходом газа; 8 — электронный блок управления; 9 — переключатель
вида используемого топлива «газ-бензин»; 10 — диффузор-смеситель; 11 —
лямбда-зонд; 12 — датчик разрежения; 13 — аккумуляторная батарея; 14 —
выключатель зажигания; 15 — реле
на бензине, оборудованных карбюратором, так и на двигателях,
оборудованных системой впрыска бензина. Система питания, работающая по принципу карбюрации, при использовании ее на двигателях с электронным впрыском бензина (рис. 7.1), кроме основных элементов обычной системы впрыска, содержит ресивер 2,
редуктор-испаритель 6, серводвигатель 7 для управления расходом газа, трубопровод для подачи газа в диффузор.
При переключении на использование газа в качестве топлива
газ поступает из ресивера 2 в редуктор-испаритель, где происходит
296
Глава 7. Системы питания двигателей, работающих на газовом топливе
снижение его давления и испарение. В зависимости от сигналов,
поступающих от датчиков, блок управления выдает сигнал на серводвигатель 7, устанавливающий расход газа на определенном режиме работы двигателя. Газ по трубопроводу поступает в диффузор, где смешивается с воздухом, и проходит к впускному клапану,
а затем в цилиндр двигателя. Для работы двигателя на бензине
и газе предусматриваются отдельные блоки управления, между
которыми идет обмен информацией.
Система питания для сжиженного газа, работающая по принципу впрыска, используется на двигателях, оборудованных системой впрыска бензина. Она включает ресивер с газом, редукториспаритель 6, распределитель 8 с шаговым электродвигателем,
форсунки-смесители 11 (рис. 7.2).
Газ из ресивера поступает в редуктор 6, где происходит испарение газа и снижение его давления. Ресиверы оборудуются наружным наполнительным (впускным) клапаном (с приспособлением, отсекающим подачу газа при заполнении ресивера на 80 %
объема) и соленоидным выпускным клапаном. Емкости ресиверов
для легковых автомобилей составляют от 40 до 128 л.
После выбора типа топлива с помощью переключателя 3 и включения зажигания при использовании газа срабатывает клапан 7 на
подачу газа, который выключается после отключения зажигания.
В электронный блок 1 управления от датчика 5 поступает информация о разрежении во впускном трубопроводе, зависящем от
степени открытия дроссельной заслонки; о частоте вращения коленчатого вала — от датчика или прерывателя-распределителя 9;
о составе топливовоздушной смеси — от лямбда-зонда 10. На основании полученной информации блок управления определяет угол
поворота шагового распределителя, регулирующего расход газа,
который поступает через форсунки 11 во впускной трубопровод.
Основным элементом системы питания для сжиженного газа
является редуктор-испаритель (рис. 7.3), в котором в два этапа происходит расширение газа.
Каждая из ступеней редуктора-испарителя состоит из одной
внутренней камеры 7, одной наружной камеры 2 и одной управляющей камеры 3, которые заполнены сжиженным газом. Ступени
соединены перепускным каналом 11, по которому сжиженный газ
попадает из первой ступени во вторую.
297
7.1. Системы питания двигателя, работающего на сжиженном нефтяном газе
4
3
2
1
8
5
11
6
10
7
9
Рис. 7.2. Система впрыска сжиженного нефтяного газа (оборудование
для работы на бензине не показано):
1 — электронный блок управления; 2 — диагностический разъем; 3 — переключатель для выбора типа используемого топлива; 4 — реле; 5 — датчик
давления воздуха; 6 — редуктор-испаритель; 7 — клапан перекрытия подачи
газа; 8 — распределитель с шаговым электродвигателем; 9 — прерывательраспределитель или индуктивный датчик для определения частоты вращения
коленчатого вала; 10 — лямбда-зонд (датчик кислорода); 11 — форсунки для
впрыскивания газа
Кроме того, в каждой ступени имеется клапан с заслонкой 8
и поршнем 6, который с помощью резьбового соединения соединен с мембраной 9. В каждой пружинной камере находится по
одной пружине. Давление в камере с пружиной первой ступени
равно атмосферному, а с пружиной второй ступени равно давлению во впускном коллекторе.
Между первой и второй ступенями установлено резиновое
уплотнение 15, отделяющее контур охлаждающей жидкости от
контура сжиженного газа.
Принцип работы редуктора-испарителя заключается в следующем. При работе двигателя сжиженный газ поступает через клапан
298
Глава 7. Системы питания двигателей, работающих на газовом топливе
Первая ступень
9
10
Вторая ступень
12
9
11
7
8
8
6
7
6
5
5
4
4
3
3
13
2
2
1
15
14
Рис. 7.3. Редуктор-испаритель:
1 — охлаждающая жидкость, вход; 2 — наружная камера; 3 — управляющая
камера; 4 — камера с пружиной; 5 — пружина; 6 — поршень; 7 — внутренняя
камера; 8 — заслонка; 9 — мембрана; 10 — подвод газа от клапана высокого
давления; 11 — перепускной канал; 12 — выход к газовому фильтру; 13 —
штуцер вакуумной магистрали от впускного коллектора; 14 — охлаждающая
жидкость, выход; 15 — резиновое уплотнение
высокого давления для работы на газе во внутреннюю камеру первой ступени под давлением не более 10 кгс/см2. При этом заслонка клапана 8 открыта. Сжиженный газ проходит из внутренней
камеры 7 в наружную камеру 2 и далее в управляющую камеру 3
первой ступени. Проходя через эти камеры, жидкий газ расширяется и переходит в газообразное состояние. Усилие, действующее
на мембрану 9 первой ступени со стороны камеры 4 с пружиной,
складывается из усилия соответствующим образом подобранной
пружины и силы атмосферного давления (поддерживаемого в этой
камере с пружиной).
Как только давление газа с другой стороны мембраны в управляющей камере 3 превысит 1,6 кгс/см2, пружина 5 под воздействием усилия от мембраны 9 сожмется. Жестко связанный с мембраной 9 поршень 6 приведет в движение заслонку 8 и клапан, через
который газ поступает в испаритель, закроется. Поступление жидкого газа в испаритель прекратится. Находящийся в испарителе
7.2. Системы питания двигателя, работающего на природном газе
299
газ продолжает расширяться и через перепускной канал 11 перетекает во внутреннюю камеру 7 второй ступени и далее в ее наружную
камеру и управляющую камеру. По мере расходования газа в управляющей камере 3 второй ступени (действующего на мембрану)
уменьшается. Как только давление станет меньше 1,6 кгс/см2, пружина 5 второй камеры преодолеет сопротивление мембраны и через
поршень 6 откроет заслонку 8 второй камеры, в результате чего
сжиженный газ вновь сможет поступать в испаритель.
7.2. Электронные системы питания двигателя,
работающего на природном газе
Система питания двигателя, работающего на сжатом природном
газе (рис. 7.4), состоит из следующих основных составляющих:
контур высокого давления (заправочный штуцер, трубопроводы, баллоны);
область перехода от контура высокого давления к контуру
низкого давления (редуктор давления газа с клапаном высокого
давления для работы на газе и датчиком давления газа);
контур низкого давления (гибкий шланг, газовая распределительная магистраль, датчик газовой распределительной магистрали, форсунка).
Заправочная газовая горловина 5 оснащена обратным клапаном и металлическим фильтром. Газовые трубопроводы 7 высокого
давления изготавливаются из нержавеющей стали и рассчитаны
на давление до 1000 кгс/см2. Они соединяют приемный патрубок
с первым запорным клапаном, все четыре запорных клапана между собой, а также последний запорный клапан с регулятором давления газа. Чтобы обеспечить достаточную герметичность газовых
магистралей, отдельные детали на обеих сторонах соединяются
при помощи двойного зажимного кольца 13. При заправке природный газ подается в заправочную горловину со встроенным фильтром и обратным клапаном, далее по газовым магистралям к запорному клапану первого газового баллона. Одновременно с этим
газ идет по газовым магистралям к запорному клапану второго газового баллона, оттуда дальше к запорным клапанам остальных баллонов. Из баллонов газ под высоким давлением поступает в редуктор
300
Глава 7. Системы питания двигателей, работающих на газовом топливе
9
6
10
7
11
8
15
4
14
3
11
16
2
12
1
5
13
Рис. 7.4. Система впрыска сжатого природного газа:
1 — газовый баллон с запорным и обратным клапанами; 2–4 — газовые баллоны с запорными клапанами; 5 — заправочная горловина со встроенным
фильтром и обратным клапаном; 6 — запорный клапан с клапаном отключения подачи газа, ограничителем потока газа, термическим предохранителем
и запорным краном; 7 — трубопровод высокого давления; 8 — гибкий шланг;
9 — газовая распределительная магистраль; 10 — датчик газовой распределительной магистрали; 11 — форсунка; 12 — двигатель; 13 — двойное зажимное
кольцо; 14 — клапан высокого давления; 15 — датчик давления газа; 16 — редуктор давления газа с клапаном высокого давления для работы на газе
давления газа. Если блок управления двигателем подает сигнал
управления, открывается клапан 14 высокого давления редуктора
высокого давления для работы на газе.
Запуск двигателя при температуре охлаждающей жидкости ниже
15 °C осуществляется в режиме работы на бензине, а при температуре охлаждающей жидкости выше 15 °C — на газе.
Подача газа в процессе заправки в баллон осуществляется в первый запорный клапан, при этом газ должен сначала пройти через
обратный клапан 1 (рис. 7.5). Потом газ поступает к клапану отключения подачи газа 9, который в процессе заправки отключен,
и своим высоким давлением отжимает тарелку клапана вверх. Таким
образом открывается доступ газа в газовый баллон. Газ проходит
мимо ручного запорного крана 5 и затем через ограничитель потока газа 3 попадает в газовый баллон 4. По завершении процесса
7.2. Системы питания двигателя, работающего на природном газе
301
6
7
8
4
5
9
10
11
3
2
1
Рис. 7.5. Запорный клапан:
1 — обратный клапан с соединительной резьбой для газовой магистрали в направлении приемного штуцера; 2 — соединительная резьба для газовой магистрали в направлении приемного штуцера; 3 — ограничитель потока газа; 4 —
баллон; 5 — ручной запорный кран; 6 — корпус клапана отключения подачи
газа; 7 — катушка; 8 — якорь; 9 — клапан отключения подачи газа; 10 — соединительная резьба для газовой магистрали по направлению к следующему газовому баллону; 11 — термический предохранитель
заправки пружина закрывает клапан и доступ к газовому баллону.
Отдельный канал напрямую соединяет газовый баллон с термическим предохранителем 11.
В режиме работы автомобиля на газе блок управления двигателя подает ток на катушку 7 клапана отключения подачи газа.
Магнитное поле перемещает якорь 8 клапана отключения подачи
газа вверх, открывая доступ к газовому баллону. При прекращении
работы на газе блок управления двигателя отключает клапан,
и пружина закрывает его, прекращая подачу газа из баллона.
Клапаны отключения подачи газа представляют собой электромагнитные клапаны и получают управление с блока управления двигателя. Они являются составной частью запорных клапанов. Клапаны перекрывают доступ к газовым баллонам.
Ограничитель потока газа 3 представляет собой предохранительный клапан, расположенный в соединительном фланце газового баллона. Он предотвращает непроизвольный внезапный выход газа из баллона вследствие повреждения газовой магистрали
302
Глава 7. Системы питания двигателей, работающих на газовом топливе
или регулятора давления газа. При внезапном повреждении газовых магистралей может произойти внезапное падение давления
в системе. Если давление в газовом баллоне на 2 кгс/ см2 больше
давления в газовой магистрали, то уплотнительная втулка перемещается в седло давлением в баллоне. Таким образом, газовый
баллон закрывается, утечка газа из него невозможна.
Термический предохранитель предотвращает разрушение газового баллона вследствие чрезмерного повышения давления из-за
воздействия высоких температур. Ядром термического предохранителя является небольшая стеклянная капсула, содержащая жидкость и предотвращающая выход газа. При повышении температуры до 110 °С и выше жидкость в капсуле расширяется, капсула
лопается и природный газ выходит в атмосферу через специальные отверстия, что предотвращает возможность воспламенения
в случае пожара в автомобиле или разрушения газового баллона
из-за повышения температуры.
Ручной запорный кран служит для закрытия газового баллона
при проведении любых работ по снятию и установке баллонов.
Редуктор давления газа (рис. 7.6) должен обеспечивать снижение давления газа с 200 до 6 кгс/см2. Снижение давления в редукторе происходит в одной ступени.
Клапан 7 высокого давления для работы на газе представляет
собой соленоид и при подаче на него напряжения или отсутствии
такового открывает/закрывает доступ к ступени понижения давления газа регулятора давления газа. В обесточенном состоянии
клапан высокого давления для работы на газе закрыт.
Датчик 4 давления в газовом баллоне измеряет текущее давление газа в системе на стороне высокого давления. Благодаря этим
показаниям блок управления двигателем распознает уровень наполненности баллона.
В камере 9 низкого давления происходит переход давления газа
от высокого к низкому. Если клапан высокого давления для работы
на газе открыт блоком управления двигателем, газ под высоким
давлением поступает к поршню 10 редуктора в камере 8 высокого
давления. Поршень редуктора соединен с камерой низкого давления посредством подпружиненной мембраны 11.
Если давление газа в камере низкого давления меньше 6 кгс/см2,
то мембрана и поршень силой пружины поднимаются. Поршень
303
7.2. Системы питания двигателя, работающего на природном газе
4
5
3
6
2
7
1
Область
низкого
давления
Область
высокого
давления
8
9
10
11
12
Рис. 7.6. Редуктор давления газа:
1 — ступень понижения давления; 2 — клапан избыточного давления; 3 — выход газа при низком давлении к двигателю; 4 — датчик давления в баллоне;
5 — вход газа при высоком давлении из газовых баллонов; 6 — фильтр; 7 —
клапан высокого давления для режима эксплуатации на газе; 8 — камера высокого давления; 9 — камера низкого давления; 10 — поршень редуктора; 11 —
мембрана; 12 — пружина
открывает соединение камеры низкого давления с камерой высокого давления. Газ, таким образом, поступает из камеры высокого
давления в камеру низкого давления, благодаря чему давление
в последней повышается. Как только давление достигает 6 кгс/см2,
мембрана под действием давления возвращается в нижнее положение, преодолевая усилие пружины. Поршень, соединенный с мембраной, закрывает соединение с камерой высокого давления. Если
происходит потребление газа двигателем, то давление в камере
низкого давления падает. Пружина выталкивает мембрану опять
вверх, поршень вновь открывается, и газ снова поступает в камеру
низкого давления.
304
Глава 7. Системы питания двигателей, работающих на газовом топливе
Газовая распределительная магистраль оснащена электрическими форсунками 11 подачи газа (см. рис. 7.4), расположенными
во впускных каналах цилиндров, а также датчиком 10 газовой распределительной магистрали. В режиме работы на газе они получают
управление от блока управления двигателем при помощи сигнала
с широтно-импульсной модуляцией. Время открытия форсунок
зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки на двигатель, качества природного газа, давления газа в газовой
распределительной магистрали.
Смесеобразование в режимах работы на газе и на бензине регулируется блоком управления двигателем по сигналам лямбдазонда. В зависимости от качества газа блок управления двигателем
проводит адаптацию смесеобразования. Лямбда-зонд измеряет состав ОГ и посылает результаты на блок управления двигателем.
На основании полученного сигнала блок управления двигателем
рассчитывает требуемые пропорции смеси (воздух/газ). Для управления процессом смесеобразования блок управления двигателем
изменяет время открытия клапанов подачи газа.
Дальнейшим совершенствованием систем питания, работающих
на природном газе, является применение электронного регулятора давления газа (рис. 7.7).
Редуктор состоит из двух ступеней — первая ступень редуктора 8 механическая и обеспечивает снижение давления до 20 кгс/см2,
вторая 9 — электронная и обеспечивает снижение давления до
5–9 кгс/см2.
4
2
1
5
3
6
9
8
7
Рис. 7.7. Электронный регулятор
давления газа:
1 — датчик давления в баллоне; 2 — выход низкого давления к двигателю; 3 —
штуцер высокого давления от баллонов;
4 — штуцер отвода охлаждающей жидкости к системе охлаждения; 5 — штуцер
подвода охлаждающей жидкости от системы охлаждения; 6 — механический
предохранительный клапан; 7 — вентиляционное отверстие для предохранительного клапана; 8 — первая ступень
редуктора; 9 — вторая ступень редуктора
305
7.2. Системы питания двигателя, работающего на природном газе
При понижении давления газа поглощается много тепла. При
этом температура значительно снижается, что может привести
к обледенению. Чтобы избежать этого, регулятор давления газа
соединен с системой охлаждения двигателя через штуцеры 4 и 5
и подогревается охлаждающей жидкостью.
Ниже рассматривается принцип работы электронного регулятора давления газа.
Давление газа понижается в электронном регуляторе давления
в два этапа. При этом первая ступень редуктора механически понижает его до 20 кгс/см2.
Газ поступает от баллонов через штуцер высокого давления 1
в электронный регулятор давления (рис. 7.8). Там он устремляется
сквозь два полых поршня 2 на правую сторону диска 8. Под действием возрастающего давления, направленного на диски, оба
поршня смещаются влево, против потока газа и усилия пружин
(рис. 7.8, а). Если давление на правой стороне диска составляет
а
б
1
2
6
3
5
3
4
9
8
7
Рис. 7.8. Принцип работы механической ступени электронного
регулятора давления газа:
а — давление газа за полыми поршнями составляет менее 20 кгс/см2; б — давление газа за полыми поршнями составляет 20 кгс/см2; 1 — газовый штуцер
высокого давления; 2 — полые поршни; 3 — поступающий газ; 4 — область
высокого давления; 5 — поперечное отверстие к датчику давления в баллоне;
6 — датчик давления в баллоне; 7 — прокладка; 8 — диски; 9 — пружина
306
Глава 7. Системы питания двигателей, работающих на газовом топливе
приблизительно 20 кгс/см2, полый поршень прижимается к прокладке и перекрывает проход газа (рис. 7.8, б). Давление на первой
ступени редуктора понижается до 20 кгс/см2.
Поперечное отверстие 5 идет к баллонному датчику давления,
который измеряет давление в газовом баллоне и позволяет определить, выполнялась ли дозаправка газом.
На второй ступени редуктора давление газа с помощью электромагнитного клапана понижается до 5...9 кгс/см2. Давление
в контуре низкого давления измеряет датчик в распределительной
магистрали.
Так как первая и вторая ступени редуктора связаны между собой каналом, давление в клапане составляет 20 кгс/см2, если на
обмотку 3 не поступает ток (рис. 7.9, а). В этом случае игла 7 будет
закрыта под воздействием пружины.
Чтобы понизить давление газа до 5...9 кгс/см2, клапан высокого давления управляется широтно-импульсным модулированным
сигналом от блока управления двигателя и на обмотку поступает
ток. Игла клапана смещается, шарик 10 приподнимается над седлом (рис. 7.9, б). Теперь газ может проходить из высокой полости
а
2
1
б
3
10
9
8
7
4
6
5
4
Рис. 7.9. Принцип работы электронной ступени электронного регулятора
давления газа:
а — давление газа за полыми поршнями составляет мене 20 кгс/см2; б — давление газа за полыми поршнями составляет 20 кгс/см2; 1 — переход от механической ступени редуктора; 2 — область низкого давления; 3 — обмотка
электромагнита; 4 — клапан высокого давления для работы на газе; 5 — якорь;
6 — поступающий газ; 7 — игла клапана; 8 — направляющая шарика; 9 — седло шарика; 10 — шарик клапана
7.2. Системы питания двигателя, работающего на природном газе
307
в полость низкого давления, пока не будет достигнуто требуемое
давление.
Из-за более высоких требований к зажиганию и более высокой
температуры воспламенения при работе на природном газе обычные свечи изнашиваются очень быстро. Поэтому материал свечей
зажигания в двигателях, работающих на газовом топливе, изменен.
Центральный электрод представляет собой иридиевый стержень
толщиной 0,6 мм, а массовый электрод изготовлен из платины.
ГЛАВА
8
СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ
Система зажигания предназначена для своевременного воспламенения рабочей смеси искровым разрядом. Различают системы
зажигания динамические, статические и частично статические.
Среди динамических систем выделяют:
контактную обычную;
контактно-транзисторную;
бесконтактную с датчиком Холла;
бесконтактную с индуктивным датчиком.
Статические системы характеризуются отсутствием подвижных
частей для работы системы зажигания, частично статические имеют распределитель, но не имеют прерывателя.
8.1. Статические системы зажигания
Общие положения. Контактные и бесконтактные системы зажигания в настоящее время имеют ограниченное применение. На
смену им пришли системы зажигания четвертого поколения, т.е.
системы с электронно-вычислительными устройствами управления
и без высоковольтного распределителя энергии по свечам в выходном каскаде — так называемые статические системы зажигания.
Их принято подразделять на электронно-вычислительные (аналоговые) и микропроцессорные (цифровые).
В электронно-вычислительных системах основной сигнал зажигания формируется с применением времяимпульсного способа
преобразования информации от входных датчиков. Это значит,
что контролируемый процесс задается временем его протекания
с последующим преобразованием времени в длительность электрического импульса. Таким образом, в электронно-вычислительных
8.1. Статические системы зажигания
309
системах контроллер содержит электронный хронометр и управляется аналоговыми сигналами.
В микропроцессорной системе для формирования сигнала зажигания применяется числоимпульсное преобразование, при котором параметр процесса задается не временем протекания, а непосредственно числом электрических импульсов.
Функции электронного вычислителя здесь выполняет числоимпульсный микропроцессор, который работает от электрических
импульсов, стабилизированных по амплитуде и длительности (от
цифровых сигналов). Поэтому между микропроцессором и входными датчиками в электронный блок управления микропроцессорной системы устанавливаются числоимпульсные преобразователи аналоговых сигналов в цифровые (чипы).
В отличие от электронной, микропроцессорная система зажигания работает по заранее заданной для определенного двигателя
внутреннего сгорания программе управления. Поэтому в вычислителе микропроцессорной системы зажигания имеется электронная память (постоянная и оперативная).
Компонентный состав современной системы зажигания показан на рис. 8.1.
Характерные кривые, получаемые при использовании обычных
распределителей зажигания с центробежными и вакуумными регуляторами, заменяются оптимизированными электронными отображениями процесса зажигания. Механическое распределение
тока высокого напряжения осталось только в некоторых системах
зажигания с распределителем зажигания (рис. 8.2). В таких системах сохранилась одна катушка зажигания на все цилиндры.
Использование электронных систем зажигания позволило создать систему постоянной энергии для двигателей, работающих на
бедной смеси во всем диапазоне режимов их работы. Одним из
важных факторов, предопределивших применение таких систем,
стало приближение опережения зажигания к порогу начала детонации — чем ближе работа двигателя к этому порогу, тем выше его
мощность.
Системы зажигания с индивидуальными катушками. В современных электронных и микропроцессорных системах зажигания широко используются выходные каскады с индивидуальными
катушками зажигания для каждой свечи в отдельности (рис. 8.3).
310
Глава 8. Система зажигания
4
3
2
5
1
6
8
7
9
10
Рис. 8.1. Статическая система зажигания:
1 — свеча зажигания; 2 — катушка зажигания; 3 — датчик положения дроссельной заслонки; 4 — блок управления; 5 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 6 — датчик детонации; 7 — индуктивный датчик; 8 — зубчатый
диск; 9 — аккумуляторная батарея (АКБ); 10 — замок зажигания
В объединенный блок на катушки могут устанавливаться силовые
транзисторы. Это делается с целью разгрузки контроллера от множества выходных каскадов.
Электронная система зажигания обычно комбинируется с системой электронного управления впрыском топлива (система
Motronic), устройством контроля детонации двигателя, ABS и т.д.,
что дает возможность использовать датчики и/или сигналы от
других узлов автомобиля в более чем одной системе управления.
Основные преимущества системы зажигания Motronic состоят
в следующем:
индивидуальное статическое распределение высокого напряжения по свечам зажигания;
катушки зажигания с заземленной вторичной обмоткой;
все входные датчики (датчик Холла, датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик температуры ДВС, датчики дроссель-
311
8.1. Статические системы зажигания
4
1
2
3
5
6
8
7
9
10
Рис. 8.2. Статическая система зажигания с распределителем:
1 — катушка зажигания; 2 — распределитель высокого напряжения; 3 — свеча
зажигания; 4 — блок управления; 5 — датчик температуры охлаждающей
жидкости; 6 — датчик положения дроссельной заслонки; 7 — индуктивный
датчик; 8 — зубчатый диск; 9 — АКБ; 10 — замок зажигания
ной заслонки, датчик детонации) — это формирователи электрических сигналов из неэлектрических воздействий бесконтактного
принципа действия. Аналоговые сигналы от этих датчиков преобразуются в контроллере в цифровые сигналы;
селективная коррекция угла опережения зажигания по детонации (в каждом цилиндре в отдельности);
отключение цилиндров ДВС при перебоях в искрообразовании (защита дорогостоящих компонентов двигателя — кислородного датчика и каталитического нейтрализатора от повреждений);
наличие в контроллере функций самодиагностики и резервирования.
Электронные системы зажигания более точно, чем обычные
механические, выбирают угол опережения зажигания (рис. 8.4).
В механических системах зажигания угол опережения может
изменяться только в зависимости от работы вакуумного и центробежного регуляторов, определяющих изменение частоты вращения коленчатого вала и нагрузки, в то время как в электронных —
312
Глава 8. Система зажигания
3
2
1
4
5
6
Рис. 8.3. Блок свеча-катушка зажигания:
10
7
8
1 — втулка болта крепления; 2 — радиатор
выходного каскада; 3 — электронный блок;
4 — сердечник катушки зажигания; 5 — первичная обмотка; 6 — замыкающий магнитопровод; 7 — демпфирующая шайба; 8 — помехогасящий резистор; 9 — силиконовый
изолятор; 10 — вторичная обмотка
9
от значительно большего количества факторов (температура двигателя, начало детонации, положение дроссельной заслонки и т.д.).
Преимущество электронных систем заключается также в том, что
процесс зажигания определяется углом поворота коленчатого вала,
а не валика распределителя, чем исключается влияние износов
в приводе распределителя.
В электронных системах исключаются ограничения, накладываемые механическими устройствами регулировки. Число входных параметров теоретически ничем не ограничено, что позволяет
расширить диапазон регулирования зажигания.
Принцип работы системы. Управление зажиганием двигателя
осуществляется с помощью микропроцессора (блока управления),
313
8.1. Статические системы зажигания
а
Угол опережения зажигания
Наг
двиг рузка
ател
я
ения
вращ вала
а
т
о
Част нчатого
коле ателя
двиг
б
Угол опережения зажигания
Наг
двиг рузка
ател
я
ия
ащен
а вр о вала
т
о
т
Час нчатог
коле ателя
двиг
Рис. 8.4. Зависимость угла опережения зажигания от нагрузки и частоты
вращения коленчатого вала двигателя в электронных (а) и механических (б)
системах зажигания
который приспособлен к условиям работы на автомобиле (рис. 8.5).
В его память заложены карты углов опережения зажигания в зависимости от различных режимов работы двигателя, а также программы для их обработки.
В микропроцессорной системе зажигания все функции управления объединены в центральный бортовой компьютер автомобиля и персональный блок управления для системы зажигания может отсутствовать. Функции входных сигналов могут выполнять
универсальные датчики, определяющие работу не только системы
зажигания, но и других систем, например системы питания. Сигнал прерывания цепи низкого напряжения при этом подается на
электронный коммутатор выходного каскада непосредственно от
центрального бортового компьютера, который управляет всеми
системами управления автомобилем.
Выходные каскады микропроцессорных систем зажигания имеют
отдельные каналы для подачи энергии искрообразования, поэтому
такое распределение называют статическим. Микропроцессорная
статическая система, по сравнению с обычными системами с вращающимся распределителем, имеет ряд преимуществ. Для систем
с вращающимся распределителем характерно неравномерное выгорание контактов в крышке распределителя, а значит, и разброс искр
по цилиндрам, достигающий 2...3 угловых градуса по повороту коленчатого вала. В микропроцессорных статических системах зажигания разброс искр по цилиндрам составляет 0,3...0,5 углового
N
12
P
13
11
Цифро Микропроцессор
вые
Микро Выходные
сигналы
каскады
ЭВМ
"0", "1"
ЭВМ
Электрическая часть системы зажигания
Память
10
Контроллер
Аналого
цифровой
преобразо
ватель
15
14
Коммутаторы
18
Свечи
зажигания
Выходные электрические
схемы системы зажигания
17
16
Катушки
зажигания
Рис. 8.5. Структурная схема микропроцессорной системы зажигания:
8
7
6
5
Аналого
вые
сигналы
1–4 — входные датчики неэлектрических величин (давления и температуры во впускном коллекторе, детонации,
температуры двигателя, напряжения аккумуляторной батареи); 5–8 — преобразователи неэлектрических величин
в аналоговые электрические сигналы; 9 — датчики крайнего положения дроссельной заслонки; 10 — аналогоцифровой преобразователь; 11 — микропроцессор; 12 — оперативная память N запоминающего устройства; 13 —
постоянная память Р запоминающего устройства; 14, 15 — коммутаторы; 16, 17 — двухвыводные катушки зажигания; 18 — свечи зажигания
Входные
датчики
9
4
3
2
1
Входные Преобразо
ватель
сигналы
входных
сигналов
314
Глава 8. Система зажигания
8.1. Статические системы зажигания
315
градуса. В них применяются электронное переключение каналов
(прерывание цепи низкого напряжения) на низкопотенциальном
уровне непосредственно в блоке управления и статическое распределение каналов цепи высокого напряжения.
В процессе работы двигателя в блок управления подается следующая информация: нагрузка, детонация, температура, напряжение аккумулятора, частота вращения и положение коленчатого
вала, положение дроссельной заслонки.
Информация, подаваемая на преобразователь, поступает от датчиков, которые преобразуют измеряемые величины в электрические сигналы. Преобразователь входных сигналов сначала переводит аналоговые сигналы датчиков в цифровую форму (т.е. в серию
импульсов типа 0–1), поскольку микропроцессор блока управления умеет обрабатывать только числовую информацию.
Некоторые сигналы, такие как частота вращения коленчатого
вала, уже поступают в блок управления в виде импульсов, однако
большинство параметров (температура, напряжение аккумулятора
и пр.) имеют постоянную полярность, хотя и меняют со временем
свои значения. Такие сигналы называются аналоговыми и должны
быть преобразованы перед входом в блок управления в цифровую
форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). На
основании данных, поступающих в микропроцессор, вычисляется
угол опережения зажигания в соответствии с картой углов опережения зажигания, которая хранится в памяти процессора.
Детонация является акустическим сигналом неконтролируемой формы сгорания и проявляется в виде частого и резкого стука
высокого тона на больших нагрузках и ускорениях.
При нормальном процессе сгорания давление на поршень изменяется плавно (рис. 8.6, кривая 1). Пламя от искры распространяется равномерно, постепенно захватывая весь объем камеры сгорания. Скорость движения фронта пламени достигает 50...80 м/с.
Практически весь заряд в камере сгорания должен сгореть прежде, чем откроется выпускной клапан, а от того, как соотносится
этот процесс с углом поворота коленчатого вала, зависят мощность,
крутящий момент, экономичность двигателя, поле температур и т.д.
Поэтому искра между электродами свечи должна появиться несколько раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки. Угол
поворота коленчатого вала, соответствующий появлению искры
316
Глава 8. Система зажигания
Давление
в камере
сгорания
2
3
1
Угол
опережения
зажигания
ВМТ
Угол поворота
коленвала
Рис. 8.6. Характер изменения давления в цилиндре двигателя:
1 — нарастание давления при нормальном процессе сгорания; 2 — нарастание
давления при детонационном процессе сгорания; 3 — нарастание давления
при позднем угле опережения зажигания
в ВМТ, называют углом опережения зажигания. Угол опережения
зажигания не одинаков для различных режимов работы двигателя
и изменяется в широких пределах.
Смесь, воспламенившись от искры, сгорает не мгновенно.
Фронт пламени постепенно приближается к дальнему углу камеры сгорания (рис. 8.7, зона 2), и, хотя там еще ничего не горит,
давление и температура за счет «поджатия» уже сгоревшей частью
заряда становятся выше, что ускоряет ход окислительных реакций. Если топливо не обладает достаточной детонационной стойкостью, в сжатой смеси образуются неустойчивые химические
соединения, способные самовоспламениться от малейшего дополнительного «толчка». Но концентрация этих соединений по объему зоны 2 неодинакова: в точке, где они наименее устойчивы, происходит первый локальный взрыв, вокруг которого с огромной
скоростью (до 2500 м/с) разбегается ударная волна, скачком под-
317
8.1. Статические системы зажигания
2
1
Рис. 8.7. Зоны сгорания топлива:
1 — зона нормального сгорания; 2 — зона детонации
нимающая давление и температуру. Пробегая через другие части
заряда, близкие к самовоспламенению, ударная волна легко «поджигает» их, рождая новые волны. За фронтом каждой ударной волны
движется детонационная волна, но процесс сгорания не мгновенен, после прохождения волны смесь какое-то время догорает.
Контроль детонации сводится к управлению, обеспечивающему угол опережения зажигания, очень близкий к предельному, за
которым происходит детонация. При этом повышается КПД двигателя, его мощность и экономичность, возможно использование
бензина с разным октановым числом.
При детонации в специфическом спектре частот появляется
составляющая с необычайно высокой амплитудой (см. рис. 8.6).
Выделяя эту частотную область с помощью полосового фильтра,
можно получить сигнал для распознавания детонации. Распознавание детонации производится путем сравнения (вычитания) текущего сигнала при отсутствии детонации и ее наличии, регистрируемого в течение определенного времени после поступления
сигнала зажигания. Степень детонации определяется подсчетом
числа амплитуд в сигнале датчика, величина которых превышает
стандартную величину, характерную для начала детонации. После
распознавания детонации в зависимости от ее степени уменьшается угол опережения зажигания. Если после этого детонация отсутствует, угол опережения зажигания постепенно увеличивается
318
Глава 8. Система зажигания
до близкого к детонационному пределу.
Наиболее оптимальным углом опережения зажигания считается угол «преддетонационного сгорания», когда сгора1
ние начинается на границе появления
детонации.
2
Детонация обнаруживается с помо3
щью датчиков ускорения, основой которых чаще всего служит пьезоэлектрический преобразователь. Такой датчик
4
представляет собой кварцевую пластинку, закрепленную в подходящем месте
на блоке цилиндров и прижатую снаружи массивным диском, называемым
Рис. 8.8. Датчик детонации
сейсмическим (рис. 8.8).
на пьезокристалле:
В блоке двигателя от детонации 1 — пьезокристалл; 2 — сейсвозникают волны вибрации. Под дей- мический диск; 3 — болт крествием резонанса сила давления увели- пления; 4 — электрические
провода
чивается и вибрация возрастает. Сила
вибрации воздействует на круглый
пьезоэлектрический элемент, вырабатывающий электрический заряд. Напряжение, возникающее между верхней и нижней поверхностью керамического элемента датчика, снимается контактными
шайбами под болтом 3 и затем обрабатывается блоком управления
двигателем.
Принцип действия датчика детонации заключается в следующем. При действии давления на пьезоэлектрический элемент в последнем происходит перераспределение электрических зарядов.
Если давление на элемент не действует, заряды распределены в нем
равномерно (рис. 8.9, а). При действии давления электрические
заряды перераспределяются таким образом, что между обкладками элемента возникает напряжение (рис. 8.9, б). Чем выше давление, тем сильнее разделение зарядов и тем больше напряжение.
Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Напряжение усиливается в электронной ячейке и используется в качестве
сигнала, направляемого в блок управления.
Поскольку каждый цилиндр имеет свою шумовую характеристику, для четырехцилиндрового двигателя оказывается достаточ-
319
8.1. Статические системы зажигания
а
б
Рис. 8.9. Принцип работы датчика детонации:
а — давление на элемент не воздействует; б — давление на элемент
воздействует
ным один датчик, который различает каждый из цилиндров. На
шестицилиндровых двигателях устанавливают два таких датчика,
на восьмицилиндровых — четыре.
Системы зажигания с одной катушкой на два цилиндра.
Одной из разновидностей системы зажигания с индивидуальными
катушками является система с одной катушкой зажигания на два
цилиндра, которая применяется для двигателей с четным числом
цилиндров (рис. 8.10).
В этой системе каждый раз, когда вторичная обмотка катушки
зажигания выдает высокое напряжение, искра подается сразу на
две свечи зажигания. Разряд одной свечи происходит в цилиндре,
где заканчивается такт сжатия, другой — в цилиндре, где заканчивается такт выпуска. При этом одна искра является высоковольтной (12...20 кВ) и воспламеняет топливовоздушную смесь, а другая низковольтной (5...7 кВ) — холостой. В конце такта сжатия
незадолго до появления рабочей искры температура топливовоздушного заряда еще недостаточно высокая (200 °С), а давление,
наоборот, значительное (10...12 атм). При этих условиях пробивное напряжение становится максимальным. В конце такта выпуска, когда происходит разряд другой свечи, пробивное напряжение
значительно уменьшается вследствие высокой температуры отработавших газов (800...1000 °С) и низкого давления (2...3 атм.).
Недостатком системы зажигания с двухвыводными катушками
является то, что в одной свече электроны переходят от центрального
320
Глава 8. Система зажигания
2
3
1
Б
А
В
Г
Рис. 8.10. Соединение свечей зажигания с двухвыводной катушкой:
1 — свеча зажигания; 2 — первичная обмотка; 3 — вторичная обмотка; А — направление потока электронов; Б — направление потока электронов, формирующих искру; В — переход электронов с бокового электрода на центральный; Г — переход электронов с центрального электрода на боковой
электрода к массовому (боковому), а в другой — в обратном направлении. Так как центральный электрод заострен и всегда значительно
горячее бокового, истечение электронов с его острия при искро
образовании требует затрат меньшего количества энергии, чем при
истечении с бокового электрода (на центральном электроде начинает проявляться термоэлектронная эмиссия). Это приводит к тому,
что пробивное напряжение на свече, работающей в прямом направлении, становится несколько ниже (на 1,5...2,0 кВ), чем на свече
с обратным включением полярности, т.е. имеется небольшой разброс пробивного напряжения по цилиндрам. Для устранения разброса напряжения по цилиндрам и поддержания нормального искрообразования двухвыводная катушка должна иметь достаточно
высокое напряжение вторичной обмотки (порядка 35...40 кВ).
321
8.1. Статические системы зажигания
N
w 1
VT1
Рис. 8.11. Четырехвыводная
катушка зажигания с двумя
воздушными зазорами .
в магнитопроводе:
w 1
VT2
M
w2
w 2
FV1
FV2
FV4
FV3
VT1, VT2 — транзисторы двухканального коммутатора; w1, w2 —
первичная и вторичная обмотки;
FV1–FV4 — свечи зажигания; М —
Ш-образный магнитопровод; N —
соединительное ярмо магнитопро
вода; δ — воздушный зазор
Если двигатель имеет четыре цилиндра, потребуются две двухвыводные катушки зажигания и два раздельных канала высокого
напряжения.
В настоящее время разработан ряд автомобильных систем зажигания, в которых две двухвыводные катушки зажигания собираются на общем Ш-образном магнитопроводе и тем самым образуется одна четырехвыводная катушка зажигания (рис. 8.11).
Такая катушка имеет две первичные и две вторичные обмотки
и управляется от двухканального коммутатора. Четырехвыводная
катушка зажигания может иметь и одну вторичную двухвыводную
обмотку при двух первичных. Вторичная обмотка такой катушки
дооборудована четырьмя высоковольтными диодами — по два на
каждый высоковольтный провод.
В такой конструкции общим элементом является средний стержень магнитопровода, а взаимное влияние двух катушек исключается с помощью двух воздушных зазоров δ. Величина зазоров может
достигать 1...2 мм, чем увеличивается магнитное сопротивление
в магнитопроводе и достигается развязка каналов.
Система зажигания с одной катушкой на два цилиндра используется в некоторых моделях двигателей благодаря ее меньшей
стоимости. Вследствие двойной искры на свечах зажигания необходимость их замены сокращается примерно в полтора раза.
322
Глава 8. Система зажигания
8.2. Современные разработки
свечей зажигания
Для повышения срока службы свечей зажигания применяются
свечи с различными габаритными размерами и числом массовых
электродов.
Форма электрода существенно влияет на зажигание топливовоздушной смеси, износ электродов, отвод теплоты и напряжение,
необходимое для воспламенения смеси. Преимущественное распространение нашли массовые электроды с нижним (рис. 8.12, а),
боковым (рис. 8.12, б) и круговым (рис. 8.12, в) расположением.
Увеличение длительности эксплуатации современных свечей
зажигания до нескольких сотен тысяч километров достигается применением в качестве наплавок на центральных электродах более
жаропрочных материалов, например платины (температура плавления 1772 °С) или иридия (температура плавления 2450 °С). Искрообразующее острие центрального электрода, выдерживающее высокие температуры и нерасплавляющееся, у таких электродов очень
мало (0,4...0,6 мм), а сами свечи тоньше и длиннее, что позволяет
использовать освободившуюся площадь камеры сгорания для установки клапанов с увеличенными диаметрами головок.
а
б
в
1
2
3
4
5
6
Рис. 8.12. Форма расположения массового электрода:
а — нижнее расположение; б — боковое расположение; в — круговое расположение; 1 — перемычка из токопроводящего стекла; 2 — воздушный зазор; 3 —
изолятор; 4 — центральный электрод; 5, 6 — массовые электроды
323
8.2. Современные разработки свечей зажигания
U, кВ
25
20
15
10
Пуск
Резкое
ускорение
Обычная свеча
Холостой ход
Иридиевая свеча
Полная
нагрузка
Рис. 8.13. Необходимое напряжение пробоя обычной
и иридиевой свечей
Применение центрального электрода малого диаметра дает возможность снизить напряжение пробоя (рис. 8.13), что повышает
надежность искрообразования, а характер горения искры при этом
таков, что в кольцевом зазоре между центральным электродом постоянно происходят разряды, выжигающие отложения продуктов
сгорания.
В случае применения обычных свечей распространению фронта пламени мешают массивные электроды вследствие рассеивания
значительной части энергии в тепло, а в иридиевых свечах фронт
пламени распространяется значительно быстрее и тепловые потери при этом минимальны (рис. 8.14).
Применение свечей с тонким электродом позволяет избегать
калильного зажигания, потому что электрод за время рабочего хода
и выпуска успевает охладиться до безопасной температуры.
а
б
Рис. 8.14. Распространение фронта пламени в обычной (а)
и иридиевой (б) свечах
324
Глава 8. Система зажигания
Рис. 8.15. Одноэлектродная
свеча
2
1
Новые разработки подачи электрической искры в цилиндры
двигателя интенсивно проводятся разными фирмами. В частности, SAAB предлагает использовать одноэлектродную свечу.
В этом случае в качестве одного из электродов свечи используется головка поршня 1, а другой электрод расположен в самой
свече 2 (рис. 8.15).
Одноэлектродная свеча изготавливается
с большой толщиной керамической изоляции,
что позволяет значительно повысить напряжение пробоя. Зазор между электродами изменяется в зависимости от нагрузки. При малых
нагрузках с большим количеством отработавших газов в топливовоздушной смеси искра
подается при зазоре между электродами до
8 мм, на больших нагрузках искра подается
при зазоре 1,5 мм.
Перспективными считаются свечи с высокочастотным разрядом без бокового электрода (рис. 8.16). Электрический разряд в таРис. 8.16. Свеча
ких свечах возникает посредством СВЧ-энер
с высокочастотным
гии, которую генерирует магнетрон, заменяюразрядом без
щий традиционную для автомобиля катушку бокового электрода
зажигания, подобно тому как это происходит
в микроволновой печи.
Высокочастотному разряду второй электрод не нужен, так как
он может просто «уходить в пространство» камеры сгорания. Лабораторные испытания новой технологии, предложенной амери-
8.2. Современные разработки свечей зажигания
325
канской компанией Etatech и воплощенной в экспериментальных
свечах фирмой BERU, показали, что энергетическая эффективность при применении такой системы воспламенения повышается
на 40 %, а выбросы оксидов азота снижаются на 80 %. Это поясняется тем, что смесь теперь поджигается сразу во всей камере сгорания, заполненной электрическим полем высокой напряженности.
Высокочастотный разряд снимает проблему работы на обедненных смесях, характерную для двигателей с непосредственным
впрыском, у которых наблюдается высокий выброс оксидов азота.
Одним из направлений развития свечей зажигания является
применение лазерно-искровой свечи зажигания (рис. 8.17). Такая
свеча содержит корпус 6 с боковым электродом 12, контактный
стержень 4, размещенный в изоляторе 5 корпуса 6 и снабженный
разъемом 1 для подключения световода 3, выполненного в полости стержня. Световод 3 содержит фокусирующую линзу 9.
Особенность работы свечи зажигания заключается в подаче
лазерной энергии сфокусированного луча 10 от источника лазерного излучения через световод и оптический разъем с образованием
фокального пятна 11. Трубчатый контактный стержень 4 в верхней части снабжен контактной втулкой 2 для провода высокого
напряжения, а нижней частью через токопроводящую заливку 7
стеклогерметиком электрически соединен с центральным электродом 8, имеющим калибровочное отверстие 13, обеспечивающее
формирование лазеррного луча 18 и искрообразование.
Световод 3 оканчивается активной зоной 15, обеспечивающей
формирование начального участка светового луча 16. Между активной зоной 15 и цилиндрической линзой 9 размещена опорноя
втулка 17. Перемещение линзы 9 ограничено втулкой 14.
Свеча управляется комбинированной системой управления,
содержащей блок искрового зажигания и блок управления лазерным излучателем.
Луч лазера проходит с помощью световода 3 через специальное соединение внутрь свечи. Далее луч фокусируется с помощью
цилиндрической линзы 9 и выходит в межискровой зазор в камере
сгорания. Линза расположена в полом центральном цилиндрическом электроде свечи.
После предварительного лазерного подогрева искрового промежутка по высоковольтному проводу, соединенному с централь-
326
Глава 8. Система зажигания
а
б
5
1
8
2
3
3
7
15
4
16
5
9
17
6
14
18
7
13
8
9
10
11
10
11
12
12
Рис. 8.17. Принципиальная схема лазерно-искровой свечи зажигания:
а — принципиальная схема свечи; б — оптический узел; 1 — разъем для световода; 2 — контактная втулка для провода высокого напряжения; 3 — световод;
4 — контактный стержень; 5 — изолятор; 6 — корпус свечи; 7 — токопроводящая заливка стеклогерметиком; 8 — центральный электрод; 9 — фокусирующая
цилиндрическая линза с переменным показателем преломления; 10 — сфокусированный луч лазерного излучателя; 11 — фокальное пятно; 12 — боковой
электрод; 13 — калибровочное отверстие; 14 — регулировочная втулка; 15 —
активная зона; 16 — начальный участок распространения луча; 17 — опорная
втулка; 18 — лазерный луч
ным электродом, подается высоковольтный импульс воспламенения горючей смеси. Дополнительно через высоковольтную клемму
подается высокое напряжение на центральный электрод от системы зажигания. Энергия лазерного луча фокусируется с помощью
цилиндрической линзы в межискровом промежутке свечи.
Лазерно-искровая свеча зажигания обеспечивает более надежное воспламенение смеси на всех режимах работы двигателя, чем
обычная свеча.
8.3. Воспламенение топливовоздушной смеси от сжатия
327
8.3. Воспламенение топливовоздушной смеси
бензинового двигателя от сжатия
Фирма «Дженерал моторс» разработала образцы бензиновых
двигателей с воспламенением гомогенного заряда от сжатия HHCI
(Homogenous Charge Compression Ignition) и установила их на автомобилях Opel Vectra и Saturn Aura. В качестве топлива может
использоваться не только бензин, но и топливо, на 85 % состоящее
из спирта.
Совместно с другими техническими решениями (непосредственный впрыск, электронное управление фазами газораспределения,
регулируемый подъем клапанов) применение воспламенения от
сжатия обеспечивает снижение расхода топлива на 15 % при выполнении перспективных экологических норм.
Сгорание здесь происходит при меньших температурах, чем
в обычных бензиновых или дизельных двигателях, притом без распространения фронта пламени, сразу во всем объеме камеры сгорания. Необходимым условием воспламенения смеси для системы
HHCI является более высокая по отношению к обычным двигателям температура нагрева цилиндров. Учитывая то, что это условие
не может соблюдаться при пуске и прогреве двигателя, для работы
на этих режимах предусмотрена обычная свеча зажигания (рис. 8.18),
с которой двигатель работает лишь при холодном пуске и на этапе
прогрева. Системы HHCI позволяет поджигать смеси более бедные,
чем при обычной системе воспламенения, с помощью свечи, что
а
б
Рис. 8.18. Воспламенение
топливовоздушной смеси
бензинового двигателя:
а — от свечи; б — от сжатия
328
Глава 8. Система зажигания
позволило добиться высокого КПД при характерном для бензинового двигателя низком уровне выбросов вредных веществ.
Одной из самых сложных проблем системы является отсутствие
возможности изменения угла опережения зажигания, поэтому главным и определяющим фактором начала момента воспламенения
смеси является момент впрыска, а дополнительным — состав смеси.
Переход на новый принцип воспламенения смеси возможен без существенных переделок двигателя.
ГЛАВА
9
СИСТЕМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ И ПУСКА
К системе энергообеспечения относятся аккумуляторная батарея и генератор, а к системе пуска — стартер, аккумулятор и др.
Современные аккумуляторы, устанавливающиеся на легковые
автомобили, могут быть обслуживаемыми, необслуживаемыми
и частично обслуживаемыми.
Для продления срока службы используются аккумуляторы глубокого разряда и виброустойчивые батареи.
На легковых автомобилях применяются щеточные и бесщеточные генераторы, с повышающей передачей и без нее.
Особенностью стартеров автомобилей последних лет выпуска
является наличие повышающих передач с цилиндрическими, планетарными редукторами и встроенных маховиков.
9.1. Аккумуляторная батарея
Особенности конструкции современных аккумуляторных батарей. Современные аккумуляторы могут иметь радиальную конструкцию решетки пластин. Пластины изготавливаются методом
непрерывного литья, однако в последнее время начали применяться
технологии изготовления решеток методом выдавливания ячеек
из цельного листа проката, что сохраняет химическую структуру
исходного материала. В качестве материала решетки пластин все
более широкое распространение получают сплавы свинца с серебром. При этом увеличивается прочность пластин, их масса и толщина снижаются на 30 %, а срок службы увеличивается на 20 %.
В каждую банку аккумулятора можно установить больше пластин,
изготовленных по технологии выдавливания, что позволяет увеличить ее емкость при относительно небольших габаритах батареи.
330
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
Для исключения внутреннего замыкания пластин внутри аккумулятора применяются сепараторы со стеклотканью, выполненные
в виде конверта. Такие сепараторы удерживают активную массу
пластин от высыпания и вибраций.
Для уменьшения загустевания электролита при низких температурах, приводящего к снижению проводимости, увеличению
внутреннего сопротивления, в электролит добавляются различные
модификаторы.
Одной из частых причин выхода из строя аккумуляторов является короткое замыкание нижней части пластин, вызванное осыпанием активной массы из решеток. Для устранения этого недостатка конструкторы поместили пластины в сепараторы из пористого
материала, выполненные в виде почтовых конвертов с запаянными
нижними краями. При осыпании массы она остается на дне сепаратора и короткого замыкания с соседней пластиной произойти не
может. Кроме пластин в виде конвертов, могут применяться сепараторы, которые имеют стекловолокнистые слои для обеспечения
дополнительной защиты массы от осыпания.
Необслуживаемые аккумуляторные батареи. Термин «необслуживаемые» означает лишь то, что аккумуляторы этого типа не
требуют проверки электролита и периодической доливки в течение всего периода эксплуатации, однако при необходимости их
следует подзаряжать. Общее устройство необслуживаемой аккумуляторной батареи показано на рис. 9.1.
1 2
3
4 5
6
Рис. 9.1. Необслуживаемая
аккумуляторная батарея:
1 — неразъемная крышка; 2 — крышка вывода; 3 — межэлементный соединитель; 4 — клемма; 5 — перегородка; 6 — перемычка пластин; 7 —
корпус; 8 — нижняя установочная
направляющая; 9 — положительные
пластины, помещенные внутрь сепараторов; 10 — отрицательные пластины
7
8
9 10
331
9.1. Аккумуляторная батарея
Некоторые аккумуляторы герметизированы, но снабжены выпускным клапаном,
через который могут уходить лишние газы,
образующиеся в нештатных ситуациях, и до1
ливка в них вообще невозможна. В других
аккумуляторах отверстия с пробками сохранены, так что в случае непредвиденного газовыделения в них можно долить воду.
Многие современные модели аккумуляторных батарей снабжены специальным ин3
2
дикатором, позволяющим быстро оценить их
состояние (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Индикатор
Принцип работы индикатора достаточно
заряженности:
прост. В электролит опущен световод, к ко- 1 — световод; 2 — поплавок; 3 — короб
торому прикреплен короб с пластмассовым
шариком зеленого цвета внутри.
Плотность пластмассы подобрана таким образом, чтобы при
повышении плотности электролита шарик всплывал вплотную
к срезу световода, создавая эффект зеленого свечения. При разряде аккумулятора, когда плотность электролита снижается, шарик погружается и зеленое свечение исчезает. Таким образом, шарик играет роль ареометра — указателя плотности электролита.
Кроме того, шарик уходит вниз и при критическом понижении
уровня электролита в батарее (рис. 9.3).
Зеленое пятно
Темное или черное
пятно
Заряд 65 % или выше
Заряд ниже 65 %
Светлое или желтое
пятно
Низкий уровень
электролита
или полный разряд
Рис. 9.3. Принцип работы индикатора заряженности
332
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
Зеленый индикатор свидетельствует о полной степени заряженности. При потемнении его и приближении цвета к черному
необходима зарядка аккумулятора. Бесцветный или желтый индикатор указывает на полную разрядку аккумулятора и недопустимое снижение уровня электролита — такой аккумулятор выбраковывается.
Необслуживаемые АКБ имеют решетки с наплавленным свинцом, содержащим небольшое количество сурьмы, в целях уменьшения газогенерации и сопутствующей потери воды во время зарядки. Это позволяет продлить срок работы электролита и его
проверки, которая производится через каждые 25 месяцев или
40 тыс. км пробега для аккумуляторных необслуживаемых батарей (согласно стандартам DIN); аккумуляторные батареи с малым
объемом технического обслуживания и ремонта проверяются через каждые 15 месяцев или 25 тыс. км пробега.
У полностью необслуживаемых аккумуляторных батарей (свин
цово-кальциевых) уровень электролита не контролируется. За исключением двух очень небольших вентиляционных отверстий, этот
тип батареи полностью герметизирован. Пока электрическая система работает нормально (и = const), разложение воды минимально и электролит сохраняет свой уровень выше активных пластин.
Этот тип свинцово-кальциевых аккумуляторов характеризуется
ограниченным саморазрядом, что позволяет сохранять энергию до
нескольких месяцев. Обязательным условием эксплуатации такого аккумулятора является точное регулирование напряжения на
выходе генератора на уровне 14,4 В. При повышении напряжения
заряда из электролита начнут выделяться газы и это приведет
к потере воды. Если необслуживаемая аккумуляторная батарея
повторно заряжается с помощью неавтомобильного зарядного
устройства, то напряжение заряда никогда не должно превышать
2,3...2,4 В на гальванический элемент.
Одной из проблем современных аккумуляторов является испарение и утечка электролита при повреждении батареи в случае
аварии. Отдельные фирмы устанавливают в аккумуляторах плоские прокладки, расположенные между пластинами. Основу прокладок составляет стекловолокно, впитывающее электролит, при
этом все края пластин остаются сухими, что позволяет предотвратить испарение и утечку электролита. Дополнительно во время
9.1. Аккумуляторная батарея
333
заряда аккумулятора, когда степень его заряженности близка к полной, на положительных пластинах начинает выделяться кислород,
тогда как в обычных аккумуляторах в это время на отрицательных
пластинах начинает выделяться водород. Образующийся кислород попадает сквозь сепаратор на отрицательные пластины, заполненные сернокислым свинцом, и преобразует его в чистый свинец
и кислоту. Потенциал отрицательных пластин не достигает уровня,
при котором начинает выделяться водород, и поэтому потери воды
не происходит. Кроме того, батареи такой конструкции могут выдерживать значительно большее количество циклов разряда-заряда
и срок их службы составляет в зависимости от условий эксплуатации 8–12 лет. Ток холодного запуска возрастает на 70...90 А.
Чтобы наблюдать за техническим состоянием АКБ, не открывая капот, в современных автомобилях применяются различные
источники информации: световые табло, звуковые сигналы и синтезаторы речи, сообщающие, например, сколько можно сделать повторных запусков и через какое время.
Аккумуляторные батареи глубокого разряда. Обычные аккумуляторные батареи реагируют на частые и крайне высокие разряды существенным износом положительных пластин (отделение
и осаждение активного материала). В аккумуляторных батареях
глубокого разряда для дополнительной защиты массы от осыпания сепараторы имеют стекловолокнистые слои, представляющие
собой микропористый нетканый материал из переплетающихся
между собой ультратонких стекловолокон. Стекловолокна очень
хорошо впитывают и удерживают электролит. Одновременно они
выполняют функции сепараторов. В батарею заливается только то
количество электролита, которое могут впитать стекловолокна.
Поэтому в батареях такого типа при повреждении корпуса АКБ,
например при аварии автомобиля, нет пролива электролита. Эти
батареи оснащаются общими крышками, в которые встроены
пробки ячеек и предусмотрен газоотводный канал.
Продолжительность эксплуатации такой АКБ приблизительно
в два раза выше, чем стандартной аккумуляторной батареи.
Одной из разновидностей батарей глубокого разряда является
батарея с гелеобразным электролитом. В электролит этих батарей
добавляется кремниевая кислота, превращающая его в гель. Кроме
334
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
1
2
3
Рис. 9.4. Аккумуляторная батарея глубокого разряда
с предохранительным клапаном:
1 — отверстие; 2 — вентиляционный канал; 3 — пробка ячейки
того, в электролите есть еще и фосфорная кислота, которая существенно повышает циклическую стойкость (количество возможных циклов разряда и заряда) и способность к восстановлению
после глубокого разряда.
Эти батареи оснащаются общей крышкой (рис. 9.4), где встроены несъемные пробки ячеек и предусмотрен канал центральной
вентиляции.
У батарей с гелеобразным электролитом подвижность электролита ограничена и пробки ячеек не выворачиваются, а индикатор
заряженности отсутствует. Образующиеся при заряде-разряде водород и кислород не покидают ячейки батареи и реагируют между
собой с образованием воды.
В пробки ячеек встроены предохранительные клапаны (рис. 9.5),
которые пропускают газы в систему центральной вентиляции только
при определенном избыточном давлении.
Преимущества батарей глубокого разряда:
небольшая вероятность потери электролита;
высокая циклическая стойкость;
отсутствие необходимости обслуживания;
сниженное газообразование.
335
9.1. Аккумуляторная батарея
3
4
2
1
5
Рис. 9.5. Пробка ячейки аккумуляторной батареи глубокого разряда:
1, 3 — уплотнительные кольца; 2 —
корпус пробки; 4 — проход к вентиляционному каналу; 5 — предохранительный клапан
Недостатками их являются:
ухудшенные пусковые свойства при низких температурах;
высокая стоимость;
непереносимость повышенных температур и связанная с нею
непригодность к установке в подкапотном пространстве.
Виброустойчивые аккумуляторные батареи. Отличаются креплением в виде литой смолы или пластика, предупреждающим
разрушение пластин от вибрации.
Батарея снабжается безопасной клеммой, если она подлежит
установке в средней части кузова или в багажнике автомобиля.
Длинный кабель, соединяющий батарею со стартером, может быть
причиной пожара в случае его повреждения при аварии. Поэтому
при срабатывании подушки безопасности отключается кабель, идущий к стартеру, от положительного вывода батареи. Питание ос
тальной бортовой сети сохраняется, так как при аварии необходимо
сохранение работоспособности аварийной сигнализации и освещения. Отключается кабель от положительного вывода отстрелом
его наконечника. Случайное возобновление соединения наконечника кабеля с выводом батареи предотвращается уловителем с двумя
захватами.
Малогабаритные аккумуляторные батареи. Из-за недостатка
пространства в моторном отсеке в некоторых легковых автомобилях устанавливаются два аккумулятора по 6 В вместо обычного
аккумулятора на 12 В.
По своему строению шестивольтная АКБ существенно отличается от обычных аккумуляторов. АКБ представляет собой компактный модуль (рис. 9.6), который при этом имеет повышенную
336
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
4
3
2
5
1
6
7
Рис. 9.6. Аккумуляторная батарея с напряжением 6 В:
1 — пластиковый корпус; 2 — свинцовая соединительная пластина; 3 — плюсовая клемма; 4 — минусовая клемма; 5 — цилиндрический элемент АКБ;
6 — сепаратор из стекловолокна; 7 — свинцовая решетка
мощность. Главной отличительной особенностью шестивольтных
АКБ является округлая конструкция положительной и отрицательной решеток из свинца с сепаратором из стекловолокна, в котором
находится электролит, что защищает АКБ от утечек электролита.
Плотное расположение соединений в пакете пластин АКБ обеспечивает повышенную вибростойкость, а в связи с этим — больший
срок службы. По сравнению с обычными аккумуляторами шестивольтная АКБ обладает большей мощностью в режиме холодного
пуска.
Шестивольтная АКБ не требуют обслуживания, кроме зарядки.
Такие батареи нельзя заряжать поодиночке и нельзя производить
замену только одной АКБ.
Клеммы с датчиком определения состояния аккумуляторных
батарей. Клеммы современных аккумуляторных батарей имеют
встроенные микропроцессоры, способные измерять ток зарядаразряда, напряжение, температуру и остаточную емкость батареи
(рис. 9.7). Эти данные передаются в центральный блок управления для решения отключения части незначимых потребителей, например подогрева сидений в случае недостаточного зарядного тока
генератора.
9.1. Аккумуляторная батарея
337
Рис. 9.7. Клемма с датчиком
определения состояния
аккумуляторных батарей
Для определения остаточной емкости используют микропроцессор с силовой цепью на основе MOSFET-транзистора, который
раз в минуту «опрашивает» батарею импульсом тока силой в 100 А
и длительностью 1 мс. Зафиксированное во время этого импульса
падение напряжения дает информацию для вычисления внутреннего сопротивления. Чтобы результаты прогноза оказались более
точными, измеряется еще и окружающая температура.
Для предупреждения владельца автомобиля на проводах АКБ
ставится монитор, на котором отображается индикация разряда.
Критическая степень разряда сопровождается звуковым сигналом
встроенного зуммера.
Одной из таких разработок является система «Стоп энд гоу»,
когда в целях экономии топлива двигатель выключается на каждом светофоре. Сенсор IBS (Intelligent Battery Sensor), интегрированный в минусовую клемму, постоянно изменяет ток, напряжение
и температуру, вычисляя реальное состояние батареи. Если батарея разряжена, контроллер не дает команду глушить двигатель,
чтобы не допускать недопустимой разрядки при последующем автоматическом пуске. Датчик работает вместе с преобразователем
постоянного напряжения, устраняющим провалы в момент работы
стартера, которые могут привести к сбоям в работе различной бортовой электроники, например навигатора.
Датчик состояния может отключать привод генератора в том
случае, когда АКБ достаточно заряжена, что уменьшает расход топлива.
Панели солнечных батарей. В условиях длительного использования потребителей электропитания автомобиля при неработающем двигателе (телевизор, магнитола, холодильник и др.) и отсут-
338
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
2
Рис. 9.8. Панель солнечных
батарей:
1
3
1 — переходник; 2 — соединительный провод; 3 — панель
ствия штатных зарядных устройств для заряда АКБ можно применять панели солнечных батарей (рис. 9.8).
Эта панель устанавливается за задним стеклом и соединяется
с аккумуляторной батареей через гнездо прикуривателя. Электроэнергия, получаемая в панели в результате преобразования солнечной энергии, используется для подзаряда. Одновременно могут
применяться три панели.
Основные характеристики аккумуляторных батарей. Коэффициент преобразования энергии. Энергия, которая подводится к батарее в процессе заряда, всегда больше энергии, отдаваемой ею при
разряде. Превышение энергии заряда над энергией разряда объясняется необходимостью покрытия затрат на проведение электрохимических процессов при заряде. Чтобы зарядить батарею, нужно
подвести к ней энергию, величина которой составляет от 105 до 110 %
отданной ранее энергии. Это соотношение (равное 1,05–1,10) называют коэффициентом преобразования энергии.
Емкость аккумуляторной батареи. Емкость батареи или отдельного аккумулятора равна отдаваемой ими электроэнергии, измеряемой в ампер-часах (А ⋅ ч). Емкость зависит от температуры
и разрядного тока. Она уменьшается при увеличении разрядного
тока и снижении температуры окружающей среды (особенно при
минусовых ее значениях).
Номинальная емкость K20. Это измеряемая в А ⋅ ч емкость,
которая указывается изготовителем и определяется в режиме 20-ча
сового разряда полностью заряженной батареи. Величина тока разряда рассчитывается по формуле K20 : 20 ч. Напряжение на выводах
9.2. Генератор
339
батареи при этом должно оставаться на уровне не ниже 10,5 В.
Например, разрядный ток батареи емкостью 60 А ⋅ ч должен быть
равен: 60 А ⋅ ч : 20 ч = 3 А.
Таким образом, батарея номинальной емкостью 60 А⋅ч должна
отдавать ток силой 3 А в течение 20 ч, причем напряжение на ее
выводах должно быть выше 10,5 В.
Ток холодной прокрутки (пусковой ток) характеризует способность аккумуляторной батареи обеспечивать пуск двигателя в холодное время года. Это указанный производителем ток, который
может отдавать новая полностью заряженная батарея при температуре −18 °C в течение установленного нормативом времени. При
этом напряжение на ее выводах не должно падать ниже определенного нормативного значения.
Номинальное напряжение автомобильной батареи — произведение номинального напряжения аккумулятора на число (последовательно включенных) аккумуляторов в батарее. В соответствии со
стандартом номинальное напряжение свинцового аккумулятора
равно 2 В, поэтому у аккумуляторной батареи оно должно составлять 12 В.
Напряжение начала газовыделения — напряжение аккумулятора, при котором начинается интенсивное выделение газов. Обычно
оно составляет более 14,4 В на клеммах (или 2,4 В на выводах аккумулятора).
9.2. Генератор
Бесщеточные генераторы. Бесщеточные генераторы сущест
венно отличаются от генераторов со щеточным узлом.
В бесщеточном генераторе (рис. 9.9) использован интегральный
регулятор напряжения. Статор 8 генератора имеет пазы, в которых
расположены катушки обмотки статора, закрепленные пазовыми
клиньями. Катушки фаз соединены между собой последовательно,
а фазы — в треугольник или, при пятифазной конструкции, в пятиугольник. Сердечник статора зажат между двумя крышками — задней 2, выполненной из алюминиевого сплава, и передней 1, выполненной из стали, поскольку она является магнитопроводом
(проводит магнитный поток, образованный неподвижной обмоткой
340
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
6
7
8 9 10
11
12
5
4
3
2
1
Рис. 9.9. Бесщеточный генератор:
1 — передняя крышка; 2 — задняя крышка; 3 — кожух; 4 — выпрямительный
блок; 5 — блок регулятора напряжения; 6 — пакет ротора; 7 — фланец с постоянными магнитами; 8 — статор; 9 — втулка ротора; 10 — индуктор; 11 —
обмотка возбуждения; 12 — подшипниковый щит
возбуждения, расположенной на втулке индуктора генератора).
Индуктор 10 фланцем прижат к торцу передней крышки 1.
В бесщеточном вентильном генераторе с неподвижной обмоткой возбуждения (индукторный генератор) ротор представляет
собой многолучевую стальную звездочку, насаженную на вал. Обмотка возбуждения соосна с ротором и закреплена в стальной
крышке. На вал ротора генератора надеты втулка 9, в которую через дополнительный воздушный зазор проходит магнитный поток
из втулки индуктора; звездочка пакета 6 ротора с шестью зубцами,
набранная из стальных листов; алюминиевый фланец 7 с постоянными магнитами, залитыми в выступах, расположенных между
зубцами пакета ротора. Эти магниты, кроме повышения мощности
генератора, обеспечивают надежное его самовозбуждение, т.е. возможность работы генератора при отключенной аккумуляторной
батарее.
9.2. Генератор
341
Подшипниковый щит 12 генератора выполнен из алюминиевого
сплава. Задняя крышка 2 стянута с ним шпильками. Выпрямительный блок 4 расположен во внутренней полости задней крышки 2 и закреплен на ней тремя изолированными болтами. Блок
регулятора напряжения 5, содержащий интегральный регулятор
напряжения и подстроенный резистор, расположен на наружной
поверхности задней крышки и закрыт пластмассовым кожухом.
Магнитный поток, проходящий из ротора в статор через зубцы
звездочки ротора, велик, а в промежутках между зубцами (по воздуху) — мал. При вращении ротора напротив катушек обмоток фаз
статора последовательно оказываются то зубцы, то впадины ротора. Пронизывающий их магнитный поток изменяется по величине,
и в катушках появляется переменное напряжение. Для увеличения степени изменения магнитного потока и, следовательно, повышения мощности генератора во впадинах звездочки ротора закреплены постоянные магниты.
Привод генератора. Современные системы энергопотребления
автомобиля требуют большого расхода энергии, поэтому в них
должны применяться генераторы повышенной мощности. Одним
из направлений их развития является применение повышенной
частоты вращения генератора с помощью повышающей шестеренчатой передачи. В качестве примера можно привести привод генератора автомобиля Touareg с двигателем V10 TD (рис. 9.10). Здесь
генератор приводится через шестерни раздаточного механизма
и двухступенчатую передачу с передаточным числом i = 3,6. На валу
генератора установлена муфта с упругой шайбой Hardy. Двухступенчатая передача повышает частоту вращения ротора генератора,
в соответствии с которой увеличивается его электрическая мощность. Это позволяет обеспечивать всех потребителей электроэнергии даже при работе двигателя на холостом ходу.
Современные трехфазные генераторы способны вырабатывать
достаточно большой ток даже при низкой частоте вращения. Большая сила тока при низкой частоте вращения сопровождается повышенным нагревом деталей генератора, что особенно проявляется
при высоких температурах окружающего воздуха. Традиционное
воздушное охлаждение генераторов с помощью вентилятора не
может обеспечить необходимое охлаждение генератора на низких
частотах вращения. В связи с этим многие производители автомо-
342
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
2
3
4
1
Рис. 9.10. Генератор с повышающей передачей:
1 — раздаточный механизм; 2 — подвод охлаждающей жидкости;
3 — эластичная муфта; 4 — промежуточный вал зубчатой передачи
бильных двигателей включают генератор в систему жидкостного
охлаждения двигателя. У такого генератора отвод тепла от обмотки
статора и крышки с выпрямительным блоком производится в рубашку охлаждения генератора, которая включена в систему охлаждения двигателя.
9.3. Стартер
Стартер с цилиндрическим редуктором. В целях снижения
общей массы и уменьшения расхода такого дорогостоящего материала, как медь, началось применение стартеров с понижающими
редукторами.
Редукторы, встраиваемые в стартеры, разделяются на три основных типа: цилиндрический с внешним зацеплением, цилиндрический
343
9.3. Стартер
с внутренним зацеплением и планетарный. Редукторы выполняются одноступенчатыми с прямозубыми шестернями.
Конструкция стартеров с цилиндрическими редукторами с внешним зацеплением представлена на рис. 9.11. Редуктор расположен
в корпусе 23. Преимуществом такого редуктора является технологичность изготовления его зубчатых колес. К недостаткам относится увеличение высоты стартера по сравнению с величиной стартеров без редуктора из-за смещения осей стартерного электродвигателя и привода на 30...50 мм, появление радиальной нагрузки
11
10
12
13
14 15
16
9
17
18
19
20
8
7
6
5
4
3
34 max
Включенное
положение
2
1
45 +
– 0,5
54–3
30
29 28 27 26 25 24 23 22
21
Рис. 9.11. Стартер со встроенным цилиндрическим редуктором с внешним зацеплением:
1, 14 — пружинные шайбы; 2 — стяжной болт; 3 — крышка со стороны коллектора; 4, 15 — гайки; 5 — стопорная шайба; 6, 25 — подшипники; 7 — якорь
в сборе; 8 — корпус; 9 — перемычка; 10 — гайка контактного болта тягового
реле; 11 — тяговое реле; 12 — ведомая шестерня редуктора; 13, 27, 30 — уплотнительные кольца; 16 — рычаг в сборе; 17 — ось рычага; 18 — шестерня привода; 19 — упорная шайба; 20 — регулировочная шайба; 21, 26 — винты; 22 —
ведущая шестерня редуктора; 23 — корпус редуктора в сборе; 24 — кольцо;
28 — регулировочная прокладка; 29 — крышка подшипника
344
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
на якорь электродвигателя, требующей применения подшипников качения.
В стартерах с цилиндрическими редукторами, имеющими внутреннее зацепление, смещение осей электродвигателя и привода
меньше, что облегчает компоновку стартера на двигателе. Недостатками их являются повышенная сложность изготовления зубчатых колес и радиальная нагрузка на вал электродвигателя.
Стартер с планетарным редуктором. Работы в области совершенствования электродвигателей позволили создать простую и достаточно легкую конструкцию стартера с возбуждением постоянными магнитами и с понижающей передачей.
На рис. 9.12 показан якорь и понижающая передача стартера
Вosсh DW. Понижающая передача представляет собой планетарный
ряд, солнечная (центральная) шестерня которого закреплена на
валу якоря, а выходная мощность снимается с водила, на осях которого установлены свободно вращающиеся сателлиты. Шестерни
планетарной передачи с наружными зубьями изготовлены из стали, а эпициклическая шестерня (с внутренними зубьями) из полиамидного компаунда с минеральными добавками или методом
порошковой металлургии для повышения износостойкости.
На рис. 9.13 показана схема стартера.
Сателлиты, прессованные из порошка, вращаются на осях в подшипниках скольжения или игольчатых подшипниках. Последние
предпочтительнее, так как обеспечивают больший КПД редуктора.
Ось сателлита одновременно является внутренней обоймой игольчатого подшипника. Это предъявляет высокие требования к материалу и точности осей. Центральное зубчатое колесо выполняется
как одно целое с валом якоря или может быть съемным. Для обеспечения минимальных механических потерь и большого срока
службы предъявляются повышенные требования к точности изготовления зубчатых колес и других деталей редуктора. С той же
целью применяют высококачественные смазочные материалы. Передаточное отношение редуктора обычно составляет 3–5.
Якорь стартера с редуктором имеет конструктивные особенности. Обмотка якоря пропитана компаундом, уменьшающим вероятность его разноса. В связи с повышенной частотой вращения якорь
обязательно подвергается динамической балансировке. Для снижения потерь на гистерезис и вихревые токи пакет якоря собирают
345
9.3. Стартер
1
3
2
5
4
6
Рис. 9.12. Стартерный электродвигатель с понижающей передачей:
1 — вал водила планетарной передачи с косыми шлицами; 2 — эпицикл планетарной передачи; 3 — сателлиты; 4 — солнечная шестерня, закрепленная на
валу; 5 — якорь; 6 — коллектор
10
30
50
15a
9
3
1
4
5
6
7
8
11
2
Рис. 9.13. Схема стартера Вosсh DW с постоянными магнитами и понижающей передачей:
1 — шестерня; 2 — венец маховика; 3 — обгонная муфта; 4 — управляющий
рычаг; 5 — планетарная передача; 6 — постоянный магнит; 7 — якорь; 8 —
коллектор с графитовыми щетками; 9 — электромагнитный привод с втягивающей и удерживающими обмотками; 10 — включатель стартера; 11 — аккумулятор
346
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
из пластин тонколистовой (толщина 0,5 мм) электротехнической
стали.
В связи с уменьшенной металлоемкостью и повышенной удельной мощностью стартеры с редуктором обладают большей тепловой напряженностью по сравнению со стартерами без редуктора.
В стартерах с редуктором наиболее ответственным является
щеточно-коллекторный узел. Плотность тока под щетками в режиме максимальной мощности в 1,5–2,5 раза превышает плотность
тока обычных стартеров. В таких условиях требуется использование специальных щеток с повышенным содержанием графита на
сбегающем крае. Это увеличивает сопротивление коммутируемой
цепи, улучшает коммутацию. Кроме того, применяется сдвиг щеток против направления вращения на 0,3–0,5 коллекторного деления. В итоге обеспечивается снижение интенсивности изнашивания щеток и коллектора до уровня стартеров без редукторов.
В качестве магнитов используются постоянные магниты из
феррита стронция, коэрцитивная сила которых выше, чем магнитов из феррита бария. Повышенная коэрцитивная сила увеличивает стойкость магнитов против размагничивания реакцией якоря
в момент включения стартера, когда действует ток короткого замыкания. Для повышения стойкости к размагничиванию применяют специальную обработку сбегающего участка магнита, приводящую к дополнительному местному повышению коэрцитивной
силы, а также увеличивают число полюсов.
Такой стартер на 40 % легче стартера обычного исполнения
и рассчитан на применение с двигателями объемом до 5 л.
Стартер со встроенным маховиком. При электростартерном
пуске имеет место значительная неравномерность вращения коленчатого вала. Замедленное движение поршня в конце такта сжатия продлевает время прохождения им той области около ВМТ,
в которой ожидаются достаточные для воспламенения топливовоздушной смеси давление и температура в цилиндре. Возрастают
утечки через неплотности, падает компрессия. Пуск становится
ненадежным.
Повысить частоту вращения коленчатого вала двигателя, не
меняя аккумуляторной батареи и стартерного электродвигателя,
можно за счет увеличения приведенного момента инерции системы стартер — двигатель. При этом возрастают как средняя частота
347
9.3. Стартер
вращения, так и минимальная угловая скорость вала в конце такта
сжатия, т.е. фактически заметно сокращается время прохождения
поршнем области ВМТ.
Момент инерции системы стартер — двигатель можно увеличить за счет более массивного маховика двигателя, применения
составного маховика, часть которого отключается от коленчатого
вала после пуска двигателя, установки в стартер дополнительного
редуктора. Можно также установить маховую массу на каком-то
другом валу, связанном с коленчатым валом передачей с постоянным передаточным числом. Проще всего установить дополнительный маховик на валу, присоединенном к валу стартерного электродвигателя через мультипликатор (рис. 9.14).
1
2
3
4
5
7
Рис. 9.14. Кинематическая
схема стартера с планетарным
мультипликатором
6
Электростартер 2 содержит якорь 1, связанный с одной стороны через муфту 3 свободного хода с шестерней 4 механизма привода, которая при включении стартера входит в зацепление с зубчатым венцом 5 маховика двигателя. С другой стороны якорь 1
соединен через мультипликатор 6 с маховиком 7.
Мультипликатор состоит из вала 9 (рис. 9.15), с которым посредством шпонки 10 жестко связана ведущая шестерня 11, входящая в зацепление с ведомой шестерней 8, а шестерня 8 посредством
шпонки 7 жестко связана с валом обегающей шестерни 4. Последняя неподвижно установлена в корпусе 3 мультипликатора.
Маховик 5 установлен в мультипликаторе подвижно на валу 9.
Вал 9 мультипликатора связан с валом якоря стартерного электро-
348
Глава 9. Системы энергообеспечения и пуска
5
4
3
2
6
7
1
8
14
9
10
11
12
13
Рис. 9.15. Стартер со встроенным маховиком:
1 — якорь; 2 — обмотка возбуждения; 3 — корпус мультипликатора; 4 — обегающая шестерня; 5 — маховик; 6 — крышка мультипликатора; 7, 10 — шпонки; 8, 13 — ведомые шестерни; 9 — вал; 11 — ведущая шестерня; 12 — обегаемая шестерня; 14 — муфта
двигателя с помощью муфты 14. Корпус 3 закрыт крышкой 6, в подшипнике которой установлен одним концом вал 9.
Электростартер работает следующим образом. При движении
якоря 1 электростартера вращение через муфту 14 передается валу 9,
далее ведомой шестерне 8 и обегающей шестерне 4. Последняя обкатывается вокруг шестерни 12 и приводит в движение маховик 5,
играющий роль водила в данной передаче. Маховик вращается значительно быстрее вала 9.
ГЛАВА
10
СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ
Приборы освещения автомобиля предназначены для обеспечения безопасности движения и удобства эксплуатации его в любое
время суток и при различных условиях дорожного и внедорожного движения, а также на стоянках и остановках.
К приборам освещения относятся: фары, габаритные передние
и задние фонари, фонари освещения номерного знака, фонари освещения салона и багажного отделения, лампочки освещения моторного отсека и вещевого ящика, а также лампочки подсветки панели
управления, различных шкал и др.
10.1. Типы систем освещения
Адаптивные системы освещения. Попытки повернуть фары автомобиля вслед за рулевым колесом автомобилестроители начали
предпринимать сразу после появления самих фар. Однако механическая связь фар и рулевого колеса не позволяла соотносить угол
поворота лучей со скоростью движения.
Теперь идея поворотного освещения возрождается на новом,
«электронном», уровне. Самое простое решение — дополнительная «боковая» лампочка, которая загорается при повороте рулевого колеса или включенном указателе поворотов на скорости до
70 км/ч. Подобные фары имеют, к примеру, Audi A8 (первое применение) и Porsche Cayenne. Следующая ступень — поворотные
фары. В них фара с учетом скорости движения, угла поворота рулевого колеса и угловой скорости автомобиля вокруг вертикальной
оси (датчик поворота) поворачивается вслед за рулевым колесом
в пределах 15...22° наружу и на 7° внутрь. Такими фарами оснащаются и BMW, и Mercedes, и Lexus, и даже Opel Astra. Третий вариант
350
Глава 10. Системы освещения
«адаптивного» света — комбинированный. На высоких скоростях
активна только поворотная фара, а в медленных поворотах или
при маневрировании «подключается» статическое освещение (оно
имеет больший угол охвата — до 90°). Такими фарами оснащен
Opel Signum.
Примером адаптивной системы освещения является система
освещения AFL (Adaptive Front-Lighting System), позволяющая
приспосабливать направление света фар к дороге. Эта система сочетает динамическое управление фарами со «статическим» управлением «боковым» светом на перекрестках и в узких извилистых
проездах. Освещение дороги при ее использовании захватывает
значительно больший угол, чем при применении обычной системы
(рис. 10.1).
а
б
Рис. 10.1. Освещение дороги с обычной (а) и адаптивной (б) системой
351
10.1. Типы систем освещения
б
На магистрали такие фары могут по- а
15
0
0
5
ворачиваться в сторону виража, в зависимости от скорости автомобиля и угла
поворота рулевого колеса, на угол до
15°. При этом левый и правый световые
пучки поворачиваются на разные углы
(рис. 10.2).
Исполнительным механизмом управляет контроллер, который анализирует
скорость автомобиля и угол поворота
рулевого колеса (рис. 10.3).
Рис. 10.2. Углы поворота
На скорости до 40 км/ч при проезде
фар
адаптивной системы
перекрестков и узких проездов задейст
при повороте налево (а)
вуется дополнительная фара. Она вклюи направо (б)
чается при включении указателя поворота и с началом поворота рулевого колеса.
Примером адаптивного (бокового) освещения может служить
статическое освещение с применением светодиодов в автомобилях
Audi A8 (рис. 10.4). Для этой системы в фаре установлен рефлек5
6
1
2
3
Рис. 10.3. Адаптивная фара:
4
1 — оптический элемент ближнего/дальнего света; 2 — актуатор; 3 — червячный редуктор; 4 — электродвигатель; 5 — механизм поворота оптического
элемента; 6 — лампа
352
Глава 10. Системы освещения
а
б
Рис. 10.4. Адаптивное статическое боковое освещение:
а — не включено; б — включено
тор с четырьмя светодиодами, которые включаются дополнительно к ближнему свету.
Для включения дополнительных светодиодов необходимым
условием является работа указателя поворота при скорости не более 40 км/ч или поворот рулевого колеса на достаточно большой
угол при скорости не более 70 км/ч.
Системы отключения дальнего света и коррекции света фар.
В целях недопустимости ослепления встречных водителей легковые автомобили могут оборудоваться автоматической системой
отключения дальнего света. Распознавание дорожной обстановки
впереди автомобиля осуществляется видеокамерой дальнего света, расположенной в основании внутреннего зеркала заднего вида,
жестко закрепленного на ветровом стекле.
Система обеспечивает водителю лучшую видимость в темное
время суток, так как дальний свет всегда остается включенным,
если дорожная обстановка и условия движения это допускают
(рис. 10.5, а). Если камера системы распознает движущийся навстречу или впереди идущий автомобиль, дальний свет своевреа
б
в
Рис. 10.5. Принцип работы автоматической системы отключения
дальнего света в случае движущегося навстречу автомобиля:
а, б — дальний свет включен; в — дальний свет выключен
10.1. Типы систем освещения
353
менно отключается, чтобы не ослеплять участников дорожного
движения (рис. 10.5, б). При покидании распознанным автомобилем зоны обнаружения системы дальний свет автоматически
включается (рис. 10.5, в).
По освещенности дороги система распознает движение по населенным пунктам и городам, отключая дальний свет. После выезда из населенного пункта или города дальний свет снова автоматически включается. Программное обеспечение системы способно
распознать густой туман, что также приводит к отключению дальнего света.
Более совершенной является автоматическая коррекция дальности света фар. Такая система плавно переключает ближний
и дальний свет фар в зависимости от фактических условий окружающей среды и дорожной обстановки. Специальная видеокамера
в блоке управления распознает встречный и обгоняющий транспорт. В своей работе функция автоматической коррекции дальности света фар учитывает также данные навигации, получая от
нее данные о расположенных перед автомобилем участках маршрута.
Если система распознает движущийся во встречном направлении автомобиль, то дальность света фар уменьшается, пока они
полностью не переключатся в режим ближнего света (рис. 10.6).
Таким образом, исключается ослепление водителей встречного
транспорта. После того как встречный автомобиль проедет, если
только дорожная обстановка это допускает, дальность света фар
снова увеличивается до режима дальнего света.
От навигационной системы поступают также данные о приближении к перекресткам. В таком случае включается дополнительная подсветка перекрестков (рис. 10.7).
Одной из современных систем освещения является активный
свет, применяемый, например, у автомобилей Touareg. Главная его
особенность заключается в том, что он не ослепляет водителей
встречных автомобилей. Ксеноновые прожекторные фары позволяют ездить с постоянно включенным дальним светом. На ближний свет фары переключатся автоматически, как только камера,
установленная под лобовым стеклом (она же следит за разметкой),
заметит встречный или попутный транспорт. В фарах есть специальная шторка с электроприводом, которая позволяет перекрыть
354
Глава 10. Системы освещения
Рис. 10.6. Освещение дороги при наличии встречного автомобиля
при автоматической коррекции дальности света фар
а
б
Рис. 10.7. Освещение дороги при наличии перекрестка без дополнительной подсветки (а) и с дополнительной подсветкой (б)
10.1. Типы систем освещения
355
Рис. 10.8. Освещение дороги
с активным светом
световой пучок и сформировать нужную светотеневую границу
(рис. 10.8).
Электронная система сама следит за дорогой и передвигает
шторку таким образом, чтобы встречная машина всегда находилась в тени. Система может автоматически следить сразу за несколькими автомобилями, поэтому водитель сможет спокойно ехать
по трассе с включенным дальним светом, что повышает безопасность движения. Время быстродействия системы 350 мс. Работа
и взаимодействие систем безопасности происходит посредством
новой более быстродейственной шины FlexRay (10 Мбит/c).
Инфракрасное освещение. Чем больше на дорогах машин, тем
реже удается подсветить себе путь дальним светом, а ближний,
пусть и идеально отрегулированный, его не заменит. Компания
Valeo предложила интересное решение — не выключать дальний
свет, а закрыть его светофильтром, пропускающим только инфракрасные лучи. В качестве излучателя пригодна обычная галогеновая лампа — она хорошо светит и в ИК-диапазоне (рис. 10.9).
В качестве фильтра применяется специальное стекло, состоящее
из тончайших слоев таких материалов, как MgF2, Na3AlF6, ZnS,
TiO2, Ta2O5, Nb2O5. Проходя через множество слоев, световые волны разной длины изменяют фазу и на выходе складываются таким
образом, что либо гасят, либо усиливают интенсивность. В итоге
фильтр пропускает свет строго с длины волны 780 нм. Фара с таким стеклом выглядит выключенной, но только для глаза.
Встречные водители будут видеть только ближний свет, в то
время как ИК-излучение воспринимает «третий глаз» — видеокамера, установленная за зеркалом в салоне. Полученная картинка
проходит цифровую обработку, которая повышает четкость изображения. Затем ее выводят на отдельный монитор или непосредственно на ветровое стекло.
356
Глава 10. Системы освещения
ИК излучатель
0 1 0 01 1 0 1
1 0 0 10 1 1 0
0 1 1 10 0 1 0
Камера
Процессор
Дисплей
Рис. 10.9. Компоновка системы освещения
с инфракрасным излучателем
Система способна не только отображать объекты на дисплее
приборного щитка, но и вести селекцию. Например, когда электроника определяет, что перед машиной человек, и он находится вне
траектории движения автомобиля, его силуэт отмечается желтой
рамкой (рис. 10.10). Как только система поймет, что человек на
пути автомобиля, его фигура станет очерчиваться красной рамкой,
при этом раздастся предупреждающий звуковой сигнал.
Инфракрасный прожектор освещает дорогу на 300 метров.
Адаптивное и инфракрасное освещение (рис. 10.11) применяется в автомобилях BMW 5-й серии. Фары таких автомобилей,
оборудованные ксеноновыми лампами, для улучшения освещения
и исключения ослепления встречных водителей приспосабливаются к самым разным условиям движения и помогают водителю лучше видеть дорогу.
На скорости до 50 км/ч автомобиль при автоматическом режиме включает «городской режим», при этом луч света освещает пространство перед автомобилем относительно недалеко (позиция 2
на рис. 10.11), высвечивая большое пространство вблизи и в левую сторону. С ростом скорости увеличивается и дальность «ближнего света». Начиная со скорости 110 км/ч, работает «дальний свет».
(Кавычки не случайны — в новой системе традиционное разделение этих понятий теряет смысл.)
10.1. Типы систем освещения
357
Для определения начала поворота установлен чувствительный
гироскопический датчик, по срабатыванию которого луч слегка
поворачивается в сторону поворота. Если же водитель на небольшой скорости (до 70 км/ч) включил сигнал поворота или система
Рис. 10.10. Селекция отображаемых объектов
Рис. 10.11. Освещение дороги с адаптивной и инфракрасной системой:
1 — базовый свет; 2 — городской свет («ближний»); 3 — противотуманное освещение; 4 — автомагистральный свет; 5 — освещение кривых на магистрали;
6 — освещение поворотов
358
Глава 10. Системы освещения
зафиксировала резкий маневр рулем, то включается боковой луч,
позволяющий увидеть, что делается слева или справа.
При движении автомобиля в тумане автоматически включается противотуманное освещение (позиция 3 на рис. 10.11). Для того
чтобы исключить ослепление встречных водителей, предусмотрено автомагистральное освещение (позиция 4 на рис. 10.11) с инфракрасным излучателем.
Сканирующие системы освещения. Датчики, сканирующие
пространство перед автомобилем (распознавание образов), уже
используются в серийных автомобилях. Примером системы распознавания образов является новый тип сенсорной системы, различающей объекты перед автомобилем, которая разработана компанией Audi. Новая высокочувствительная система способна формировать трехмерное изображение препятствия перед транспортным
средством (рис. 10.12).
В основе технологии — источник модулированного инфракрасного излучения и датчик (он размещен позади ветрового стекла на
уровне зеркала заднего вида), сделанный из новых фоточувствительных полупроводниковых элементов, известных как фотонные
смешивающие устройства (Photonic Mixer Devices — PMD). Эти
устройства способны обрабатывать сигналы, возвращенные от множества точек предмета одновременно. По строению они похожи на
обычные приборы с зарядовой связью (так называемые ПЗС-мат
рицы), применяющиеся в видео- и фотокамерах. Они используют
различие во времени, которое требуется лучам, чтобы вернуться от
различных объектов сцены к каждому из чувствительных элементов матрицы PMD.
Для вычисления объемного изображения система сравнивает
сигнал от каждого пикселя матрицы с опорным модулированным
сигналом, поставляемым схемой излучателя, при этом посторон-
8
Рис. 10.12. Сканирующая система освещения
10.1. Типы систем освещения
359
няя инфракрасная засветка (например, от солнца) отделяется от
собственного сигнала.
Поле зрения датчика по горизонтали составляет 32°, а по вертикали — 8°. Частота сканирования препятствий — 200 Гц, что позволяет быстро улавливать изменение дорожной обстановки.
Системы с адаптивной световой границей. Суть такой системы
заключается в том, что за встречным (а заодно и попутным) потоком следит видеокамера, установленная под потолком салона. Вторая часть системы расположена в фаре автомобиля. Подвижные
отражатели, которыми управляет быстродействующий шаговый
двигатель, за миллисекунды изменят ширину и направленность светового потока. При этом изменяются углы наклона и ширина светового пучка в зависимости от реальной дорожной обстановки. Луч
света фар попадет лишь на асфальт, но не в глаза встречному водителю и не в зеркало едущему в попутном направлении (рис. 10.13).
Видеокамера, обнаружив потенциальное препятствие, дает команду о его подсветке.
Автоматическое регулирование наклона фары. Чтобы исключить ослепление встречных водителей фарами автомобиля, современные легковые автомобили оснащаются фарами с устройством
автоматического регулирования наклона фар (рис. 10.14).
Рис. 10.13. Направление луча света фар системы освещения
с адаптивной световой границей
360
Глава 10. Системы освещения
а
2
1
4
3
б
Рис. 10.14. Схема системы автоматического регулирования наклона фар:
а — автомобиль не нагружен; б — автомобиль нагружен; 1 — серводвигатель
автоматического наклона фар; 2 — блок управления автоматического угла наклона фар; 3, 4 — сенсоры загрузки
Блок управления автоматического регулирования наклона фар
определяет посредством двух сенсоров на передней и задней осях
автомобиля, установленных на одной стороне, степень загрузки
автомобиля. Эта информация передается в блок управления, который изменяет напряжение в серводвигателях. Последние, автоматически поворачиваясь, в зависимости от нагрузки на автомобиль,
обеспечивают оптимальное освещение дороги.
10.2. Источники света
Лампы накаливания — самые известные и распространенные
источники светового потока автомобильных фар. В лампах накаливания источником света является вольфрамовая нить, которая
под воздействием проходящего через него электрического тока нагревается и начинает испускать свет. Вольфрам используется в качестве исходного материала для нити накаливания вследствие высокой температуры плавления — 3410 °С (для сравнения: железо
плавится при температуре 1535 °С), в то время как рабочая температура нити накаливания составляет около 2500 °С.
10.2. Источники света
361
Самый большой недостаток ламп накаливания — их малая эффективность. Эти лампы слишком затратные, так как более 90 %
всей энергии уходит в тепло и менее 10 % непосредственно в свет.
Галогенные лампы также являются лампами накаливания
(рис. 10.15), но в них используется еще один наполнитель — галогенид (йод или бром), который и связывает испарившийся вольфрам, не давая ему осесть на стенки колбы. Соединение вольфрамгалогенид при попадании на горячую спираль разделяется. Таким
образом, вольфрам возвращается на нить накаливания, а галогенид — в газовый наполнитель колбы. При этом происходит своеобразное восстановление нити лампы, называемое галогенным циклом. Этот процесс требует температуры порядка 200 °С.
Обычно они имеют двойной корпус, что несколько снижает
внешнюю температуру лампы и одновременно повышает эффективность галогенного цикла. Простые лампы имеют цветовую температуру (характеристика излучаемого светового спектра, измеряемая в кельвинах) порядка 2700 К, а галогенные — 3000 К.
Галогенные лампы сложнее и дороже, но и эффективнее. Они
на 25...30 % ярче, чем обычные лампы накаливания. Даже в конце
своей «жизни» галогенная лампа выдает до 95 % своей изначальной яркости (простые лампы — около 75 %).
У ламп накаливания есть и еще один недостаток — тонкая спираль, состоящая из довольно хрупкого вольфрама и чувствительная
к вибрациям в автомобиле.
Несмотря на появление новых,
3
более качественных и надежных
2
источников света, лампы накаливания, являясь дешевыми, не сдают своих позиций, разрабатывают1
ся новые их типы. Основная работа
в этом направлении ведется по снижению скорости испарения вольфрама с нити накаливания. В дешевых лампах колбу наполняют сме
сью азота и аргона, в дорогих вмеРис. 10.15. Принципиальная
сто аргона используют криптон,
схема галогенной лампы:
имеющий более низкую теплопро- 1 — нить дальнего света; 2 — нить
водность, может применяться также
ближнего света; 3 — колба
362
Глава 10. Системы освещения
ксенон, у которого этот показатель еще ниже. Использование этих
газов позволяет повысить яркость лампы на 10 % (криптон) или
почти в два раза (ксенон).
Ксеноновые лампы. Существуют ксеноновые газоразрядные
и ксенон-наполненные лампы. Последние — классический представитель ламп накаливания. Эти лампы отличаются от галогенных только наполнителем колбы.
Ксенон (xenon, Xe) — бесцветный благородный газ без запаха.
Имея атом большего размера (больше, чем у криптона и аргона),
ксенон лучше замедляет испарение вольфрама. Тем самым можно
повысить температуру нити накаливания, что сделает лампу более
яркой.
У ксеноновой газоразрядной лампы (HID — High Intensity
Discharge — разряд высокой интенсивности) нет нити накаливания (рис. 10.16), а есть два электрода, между которыми происходит дуговой разряд, который и горит в ксеноновом наполнителе
колбы. Эти лампы относятся к классу электроразрядных, или,
как их иногда еще называют, газоразрядных. В капсуле в среде
пара из инертных газов, ртути и галогенидов (в данном случае
ксенона) между двумя электродами пропускается электрическая
дуга и образуется световое излучение.
HID-лампа обязательно комплектуется балластом — пускорегулирующим устройством. Балласт — самая дорогая и важная
часть ксенонового комплекта. Он должен генерировать напряжение до 25 000 В для розжига
дуги разряда и затем поддерживать ее горение
уже примерно при 85 В.
Для автомобиля ксеноновые лампы выгодны в силу ряда факторов. В сравнении с галогенными, ксеноновые HID-лампы значительно
ярче и потребляют при этом значительно меньше энергии (табл. 10.1). Свет ксеноновой фары
более точно сфокусирован, не слепит, как свет
галогенных ламп, и освещает большее пространство. Кроме того, применение ксеноновых HIDламп облегчает передвижение автомобиля в дождливую погоду, поскольку световой пучок не Рис. 10.16. Газоразрассеивается в дождевых каплях.
рядная лампа
363
10.2. Источники света
Таблица 10.1
Сравнение галогенового и ксенонового освещения
Параметры
Галоген
Ксенон
12 В, 55 Вт
12 В (24 B), 35 Вт
Сила света, кд
67 500
202 500
Световой поток, лм*
1 550
3 200
Цветовая температура, К
3 200
4 500...8 000
Световая отдача, лм/Вт**
28
91
Потребляемая мощность
* Световой поток — мощность видимого излучения, оцениваемого по световому ощущению, которое оно производит на нормальный человеческий глаз.
** Световая отдача — показатель, определяющий, с каким КПД полученная
электрическая мощность преобразуется в свет (лм/Вт). Для галогена 1550/55 =
= 28, для ксенона 3200/35 = 91.
Классический цвет газоразрядных ксеноновых HID-ламп —
иссиня-белый, но, несмотря на кажущуюся видимость, синего в нем
не так много. Основной оттенок — чисто-белый, близкий к солнечному. В таком свете все видно яснее и четче, нежели в другом. Белый
свет, излучаемый ксеноновой лампой, по спектру очень близок
к дневному. Результаты исследований показали, что свет ксеноновых
ламп отражает разметку, дорожные знаки и обстановку на дороге
лучше, чем традиционное освещение. Водитель при этом оценивает дорожную обстановку быстрее и предпринимает необходимые
действия раньше, чем при освещении дороги обычными лампами,
в случае внезапного возникновения препятствий. На рис. 10.17 показана одна и та же дорожная ситуация при разных системах освещения.
В фарах с ксеноновым освещением может применяться не
две, а одна лампа, которая обеспечивает ближний и дальний свет
(рис. 10.18). В такой фаре установлен электромагнит с механической шторкой. При включении дальнего света шторка находится
в нижнем положении и не перекрывает светового потока лампы.
При включении ближнего света включается электромагнит, при
этом механическая шторка под действием электромагнитной силы
приподнимается и перекрывает часть светового потока ксеноновой
лампы, что позволяет обозначить необходимую световую границу.
При использовании на автомобиле ксеноновых фар во избежание ослепления других участников движения законодательство
364
Глава 10. Системы освещения
б
L
L
а
Рис. 10.17. Освещение дороги обычными (а) и ксеноновыми (б) лампами:
L — остановочный путь
стран Европы требует наличия очистителей и омывателей фар,
а также автоматического регулирования наклона светового потока.
Светодиодные лампы. Этот тип электроразрядных люмине
сцентных ламп LED (Light Emitting Diodes — светоизлучающий
диод) необходимо выделить в отдельный класс. Принцип действия их основан на способности полупроводниковых кристаллов
к люминесценции при прохождении через них электрического тока.
Твердое тело идет на смену газовому разряду.
Внутри пластикового кокона находится диод, представляющий
собой две полупроводниковые пластины: одна — с положительным,
другая — с отрицательным зарядом (рис. 10.19). Между пластинами
находится нейтральная зона. При подсоединии к диоду источника
электрического тока аналогично простым диодам через светодиод
поток электронов проходит лишь в одну сторону.
Накапливаясь на каждой пластине, положительные и отрицательные частицы («дырки» и электроны) устремляются друг к другу
через «зону покоя» и, соединяясь, начинают выделять энергию
365
10.2. Источники света
а
3
1
2
4
5
б
в
Рис. 10.18. Фара с одной ксеноновой лампой для ближнего
и дальнего света:
а — общая схема: 1 — рассеиватель; 2 — ксеноновая лампа; 3 — рефлектор;
4 — электромагнит; 5 — шторка; б — положение шторки на ближнем свете;
в — положение шторки на дальнем свете
в виде особых частиц — фотонов, что и составляет свет. Одна из
полупроводниковых пластин имеет форму отражателя, направляя
поток фотонов в нужное направление. Чем выше ток, тем ярче
свет, но лишь до определенных пределов, потому что светодиод
просто сгорит, как и обычная лампочка.
Цвет свечения светодиода зависит от свойств вещества, из которого состоят пластины полупроводников. Комбинируя разные
материалы и легирующие вещества, удается получать различные
цвета. Первые LED-лампы излучали лишь почти монохромный
красный, зеленый или желтый свет, что способствовало постепенной монополизации ими рынка индикаторов. В середине 1990-х
годов появились белые и синие светодиоды, и лишь тогда впервые
зашла речь о светодиодных лампах как вероятной альтернативе
существующим источникам света.
366
Глава 10. Системы освещения
p тип
активная зона
n тип
«Дырки»
Электроны
Подложка
Рис. 10.19. Принцип действия светодиодной лампы
Преимущества светодиодных ламп в том, что они практически
не выделяют посторонних излучений несветового характера и тепла (хотя теплоотвод самому полупроводниковому элементу все же
требуется). Благодаря этому их светоотдача очень высока. Для получения аналогичного по яркости света светодиод затрачивает на
80 % меньше мощности, что снижает нагрузку на генератор. Теоретически, поскольку в светодиоде электрический ток преобразуется в световое излучение напрямую, светодиод может иметь КПД
почти 100 %, а светоотдачу (отношение яркости к затраченной
мощности) — до 300 лм/Вт.
Немаловажно, что светодиоды способны достигать большой
температуры светоизлучения, сравнимой с характеристиками газоразрядных ксеноновых HID-ламп, что делает их потенциальными источниками света и для головной оптики автомобилей.
Светодиоды не имеют спиралей, электродов и других изнашиваемых элементов. Они влаго- и пыленепроницаемы, не подвержены вибрации. Все это делает их весьма долговечными (до 100 тыс. ч),
что сравнимо с жизненным циклом автомобиля. В отличие от электроразрядных источников света светодиоды не требуют для своей
работы никаких дополнительных пусковых устройств, что облегчает работу с ними. Однако для устойчивой работы светодиодов
367
10.2. Источники света
ток необходимо стабилизировать. Для этого применяют конверторы или драйверы. Но эти устройства значительно проще балластов электроразрядных ламп.
Однако у светодиодов есть один, но весьма существенный «минус» — цена. Пока стоимость одного его люмена (единица измерения светового потока ламп) значительно выше, чем у галогенной
лампы. Но это задача технического прогресса и уже сегодня фирма
Hella создала прототип лампы нового поколения для Volkswagen
Golf на основе светодиодов (рис. 10.20).
В режиме ближнего света поток формируют четыре светодиода,
расположенных за шестиугольными линзами-коллекторами. В режиме дальнего света дополнительно подключаются еще три светодиода. Электронный блок управления обрабатывает данные о скорости, погодных условиях, угле поворота рулевого колеса и определяет необходимую освещенность дороги.
Лазерные светодиодные лампы. Такие лампы впервые применены на автомобилях BMW i8. Сверхъяркий лазерный луч для
превращения в обычный белый свет направляется не прямо на
4
5
6
3
2
1
10
9
8
7
Рис. 10.20. Общий вид светодиодной лампы:
1 — алюминиевая основа; 2 — диэлектрик; 3 — выводы; 4 — токоподвод; 5 —
кристалл; 6 — корпус с окном; 7 — контактная площадка; 8 — припой; 9 — клей;
10 — теплоотвод
дорогу, а на специальный люминофор. Лазерные светодиодные
лампы обладают высокой светоотдачей, достигающей 170 лм/Вт
против 100 лм/Вт у обычной светодиодной лампы. При этом физические размеры лазерного источника света в сто раз меньше,
чем у обычного лазерного источника.
ГЛАВА
11
ТРАНСМИССИЯ
Трансмиссией называется совокупность агрегатов и механизмов, связывающих двигатель с ведущими колесами автомобиля.
Она служит для передачи и распределения мощности двигателя на
ведущие колеса автомобиля при изменении подводимого к ним
крутящего момента и частоты их вращения по величине и направлению.
В зависимости от способа передачи, изменения и распределения крутящего момента на современных легковых автомобилях
применяются механические, гидромеханические и механические
бесступенчатые трансмиссии.
11.1. Сцепление
Сцепления современных легковых автомобилей не претерпели
особых изменений как по принципу действия, так и по приводу
выключения. Тем не менее, можно наблюдать нетрадиционные системы привода, например рабочего цилиндра автомобиля Skoda
Octavia (рис. 11.1).
Рабочий цилиндр 7 и направляющая втулка 9 в такой конструкции прочно соединены друг с другом. Поршень 4 подшипника выключения сцепления движется в рабочем цилиндре и направляющей втулке в осевом направлении. Два сальника 6, расположенных
один за другим на поршне, герметизируют рабочий цилиндр, отделяя его полость от подшипника выключения сцепления и направляющей втулки.
Шарики, находящиеся в сепараторе и поддерживающие наружную обойму 1, движутся по внутренней обойме 3 подшипника
выключения сцепления, прочно соединенной с поршнем. Под дей-
369
11.1. Сцепление
11
12
13
Сцепление
не включено
14
10
8
7
6
5
2
4
1
Сцепление
включено
9
3
Рис. 11.1. Привод выключения сцепления Skoda Octavia:
1 — наружная обойма подшипника выключения сцепления; 2 — втулка; 3 —
внутренняя обойма подшипника выключения сцепления; 4 — поршень; 5 —
пружина; 6 — сальники; 7 — рабочий цилиндр; 8 — картер сцепления; 9 — направляющая втулка; 10 — тормозная жидкость; 11 — нажимной диск сцепления; 12 — маховик; 13 — фрикционные накладки ведомого диска сцепления;
14 — диафрагменная пружина
ствием пружины 5 наружная обойма 1 постоянно прижимается
к диафрагменной пружине сцепления 14 и вращается вместе с ней.
Втулка 2, прочно соединенная с внутренней обоймой, защищает
подшипник выключения сцепления.
Тормозная жидкость подается в рабочий цилиндр через специальный канал. При нажатии педали сцепления поступающая под
давлением тормозная жидкость перемещает по оси подшипник
выключения сцепления по направлению от рабочего цилиндра
к сцеплению, и таким образом сцепление включается.
Механические коробки передач пока еще не потеряли своей
актуальности. Однако управление такой коробкой требует как достаточного опыта, так и определенных усилий. Поэтому ряд фирм
370
Глава 11. Трансмиссия
предлагают различные способы автоматизации управления сцеплением для стандартных коробок передач.
Фирма FTE Automotive разработала универсальный электрогидравлический актюатор (исполнительный механизм) сцепления
СР1 (Controlled Piston) — управляемый поршень.
Исполнительный механизм содержит главный цилиндр 9, поршень 4 с винтовым штоком и бесщеточный электродвигатель 6 постоянного тока (рис. 11.2, а). Механизм управляется электронным
блоком управления 13, в который поступает информация от датчиков о положении педали сцепления 2, положении поршня 11,
давлении в рабочем цилиндре 12. Блок управления обрабатывает
полученные сигналы, включает электродвигатель и изменяет силу
тока в нем. Ротор электродвигателя в виде гайки, вращаясь, передвигает шток с резьбой. Шток толкает поршень главного цилиндра, и под действием давления жидкости срабатывает рабочий цилиндр, поршень которого выключает сцепление. Усилие на педали
при этом минимально. Чтобы уменьшить трение, гайка заполнена
внутри шариками, обкатывающими «резьбу» на штоке.
Более совершенной является конструкция исполнительного
механизма повышенной надежности (рис. 11.2, б), позволяющего
а
б
2
6
9
5
1
8
7
3
9
4
12
11
10
12
11
10
13
13
Рис. 11.2. Универсальный электрогидравлический исполнительный
механизм выключения сцепления:
а — управление по сигналу датчика педали; б — управление по датчику давления; 1 — педаль сцепления; 2 — датчик педали сцепления; 3 — пружина; 4 —
поршень с винтовым штоком; 5 — ротор электродвигателя; 6 — электродвигатель; 7 — питательный бачок; 8 — дополнительный главный цилиндр; 9 —
главный цилиндр; 10 — рабочий цилиндр; 11 — датчик положения поршня;
12 — датчик давления; 13 — электронный блок управления
371
11.1. Сцепление
выключать сцепление при отказе основной системы. В таком механизме с педалью выключения сцепления соединен дополнительный гидравлический цилиндр, жидкость из которого поступает за
поршень главного цилиндра. Датчик давления определяет давление жидкости за поршнем главного цилиндра, а датчик положения
поршня — положение поршня в данный конкретный момент. В зависимости от полученных сигналов блока управления изменяется
сила тока в роторе, и он поворачивается. При этом поршень главного цилиндра передвигается на необходимую величину.
Узел СР1 универсален, его можно использовать для автоматического управления роботизированной коробкой передач без педали
выключения сцепления.
На автомобилях малого класса отдельных производителей автомобилей может применяться порошковое сцепление (рис. 11.3).
Ведущим элементом сцепления является маховик 1 с закрепленными на нем магнитопроводами с обмотками возбуждения 3.
2
Б
3
1
В
А
4
Рис. 11.3. Электромагнитное
порошковое сцепление:
А, Б, В — зазоры; 1 — маховик;
2 — неподвижный корпус; 3 —
обмотка возбуждения; 4 — ведомый диск
372
Глава 11. Трансмиссия
Ведомый диск 4 закреплен на ведущем валу коробки передачи.
Между магнитопроводами и ведомым диском имеется воздушный
зазор А, в который вводится специальный фрикционный порошок,
обладающий высокими магнитными свойствами. При отсутствии
тока в обмотках возбуждения между ведущими и ведомыми элементами сцепления силовой связи нет — сцепление выключено.
Если к обмоткам возбуждения подводится электрический ток, то
за счет образования магнитного поля частицы порошка выстраиваются по силовым линиям магнитного поля и создается силовое
взаимодействие между ведущими и ведомыми элементами сцепления. Силовая связь зависит от силы тока, поступающего в обмотку
возбуждения. Основное достоинство такой конструкции заключается в том, что управление сцеплением можно перенести с педали
сцепления на ручной, кнопочный вариант, что актуально для водителей с ограниченными физическими возможностями.
Специалисты фирмы Magna Powertrain создали сцепление на
основе магнитореологической жидкости (MRF). Особые свойства магнитореологической жидкости уже используются в амортизаторах с перестраиваемыми характеристиками. MRF представляет собой взвесь сферических микрочастиц карбонильного железа
размером 1...10 мкм в растворителе. В отсутствие магнитного поля
частицы практически не ощущаются и жидкость ведет себя подобно
воде. Однако при включении расположенного рядом соленоида
частицы выстраиваются в более или менее прочные цепочки, и жидкость с малой вязкостью превращается либо в густую, либо в очень
густую, либо в подобие твердого тела.
Если заполнить пространство между ведомыми и ведущими
дисками магнитореологической жидкостью и создать в ней достаточно сильное магнитное поле, диски будут соединены между собой. Регулируя ток в управляющих соленоидах, можно обеспечить
плавное включение, пробуксовку, причем без присущих традиционному сцеплению крутильных колебаний.
Вместо обычных дисков для сцепления предпочтительнее конструкция на основе вложенных друг в друга стаканов 1 и 2
(рис. 11.4). Вал двигателя может вращаться с большой скоростью.
С ростом частоты вращения коленчатого вала растет центробежная сила, увлекающая частицы железа к внешней части дисков,
что ведет к увеличению передаваемого сцеплением крутящего
11.2. Механические коробки передач без электронного управления
1
2
373
3
Направление магнитного поля
Ротор с соленоидами
Рис. 11.4. Принципиальная схема сцепления
на основе магнитореологической жидкости:
1 — ведущие стаканы; 2 — ведомые стаканы;
3 — магнитореологическая жидкость
момента вне зависимости от желания водителя, т.е. положения педали или команды электроники (в случае АКП). В цилиндрической конструкции это явление выражено намного слабее.
Более широкое распространение в трансмиссии легковых автомобилей нашли одно- и многодисковые фрикционные сцепления,
которые будут рассмотрены ниже.
11.2. Механические коробки передач
без электронного управления
Шестиступенчатая механическая коробка передач. Тенденция
к повышению мощности двигателей требует разработки новых решений трансмиссий автомобилей. Одним из таких решений является переход на шестиступенчатые коробки передач, что позволяет
снизить разрывы между передаточными числами соседних передач. Рабочие частоты вращения коленчатого вала двигателя при
этом снижаются и, как следствие, уменьшается расход топлива,
а также повышаются комфорт и разгонная динамика автомобиля.
Примером новой разработки механической передачи может
служить шестиступенчатая механическая коробка передач автомобиля Touareg (рис. 11.5). Эта коробка отличается плотным рядом
передаточных отношений, обеспечивающим существенное повы-
374
Глава 11. Трансмиссия
5
6
7
8
9
10
4
11
3
12
2
1
13
14
20
19
18
17
16
15
Рис. 11.5. Механическая коробка передач автомобиля Touareg:
1 — картер сцепления; 2 — первичный вал; 3 — ведущая шестерня (постоянной передачи) на первичном валу; 4 — муфта синхронизатора; 5 — включаемая шестерня шестой передачи; 6 — вращающаяся вместе с валом шестерня
третьей передачи; 7 — вращающаяся вместе с валом шестерня четвертой передачи; 8 — включаемая шестерня второй передачи; 9 — включаемая шестерня
первой передачи; 10 — центральный шток переключения передач; 11 — включаемая шестерня передачи заднего хода; 12 — вторичный вал; 13 — промежуточный вал; 14 — задняя часть коробки передач; 15 — вращающаяся вместе
с валом шестерня первой передачи и передачи заднего хода; 16 — вращающаяся вместе с валом шестерня второй передачи; 17 — включаемая шестерня
четвертой передачи; 18 — включаемая шестерня третьей передачи; 19 — вращающаяся вместе с валом шестерня шестой передачи; 20 — ведомая шестерня
постоянной передачи
шение крутящего момента при движении по пересеченной местности и спортивный характер движения по дорогам с твердым покрытием.
Передача мощности на ведущий вал главной передачи осуществляется через три вала с шестернями: первичный, вторичный
и промежуточный.
Ведомый диск сцепления установлен непосредственно на шлицах первичного вала. Передачи с первой по четвертую являются
понижающими, пятая — прямая и шестая — повышающая.
11.2. Механические коробки передач без электронного управления
375
Первичный вал вращается в радиальном шарикоподшипнике
картера сцепления. Между первичным и вторичным валами установлен подвижный в осевом направлении роликоподшипник с цилиндрическими роликами, расположенный в расточке первичного
вала. Ведущая шестерня 3 постоянной передачи выполнена как
одно целое с первичным валом.
Вторичный вал вращается в радиальном шарикоподшипнике,
закрепленном неподвижно в картере задней части коробки передач, и в подвижном в осевом направлении роликоподшипнике,
расположенном в первичном вале. Как одно целое с вторичным
валом выполнены шестерни третьей 6 и четвертой 7 передач. Включаемые шестерни первой 9, второй 8, шестой 5 передачи и передачи 11 заднего хода установлены на нем на игольчатых подшипниках. Их называют также свободно вращающимися шестернями.
Эти шестерни находятся в постоянном зацеплении с соответствующими им шестернями, которые вращаются вместе с валами. При
включении той или иной передачи они соединяются с вторичным
валом посредством соответствующих муфт синхронизаторов и могут передавать на него крутящий момент.
Ступицы муфт синхронизаторов первой и второй, пятой и шестой передач, а также передачи заднего хода установлены неподвижно на шлицах вторичного вала.
Промежуточный вал расположен на одном неподвижном и одном
подвижном в осевом направлении подшипниках. Двухрядный шарикоподшипник установлен в картере сцепления, а роликоподшипник с цилиндрическими роликами — в картере задней части коробки передач. Шестерни первой 15 и второй 16 передач выполнены
как одно целое с вторичным валом.
Шестерни третьей 18 и четвертой 17 передач закреплены на
промежуточном валу на игольчатых подшипниках. Шестерни шестой 19 передачи и постоянной 20 передачи закреплены на шлицах
промежуточного вала. Они вращаются вместе с промежуточным
валом.
Ступица муфты синхронизатора третьей и четвертой передач
установлена на промежуточном валу также неподвижно.
Для включения передачи крутящего момента в коробке передач применяются синхронизированные муфты переключения передач (рис. 11.6).
376
Глава 11. Трансмиссия
1
2
3
4
5
6
Рис. 11.6. Синхронизированная муфта переключения передач
Муфта состоит из ступицы 6, имеющей внутренние шлицы, которые соединяют ее неподвижно с вторичным валом, и наружные
шлицы, по которым может передвигаться наружное кольцо муфты
с внутренними шлицами; наружного кольца 3 муфты, имеющего
внутренние шлицы, соответствующие наружным шлицам ступицы
и шлицевым венцам свободно вращающихся шестерен соответствующих передач, и кольцевую канавку для зацепления с вилкой
переключения передач; конических блокирующих колец 2, синхронизирующих (уравнивающих) угловую скорость вращения
вторичного и промежуточных валов и свободно вращающейся шестерни выбираемой передачи; сухарей 4, подпружиненных листовой пружиной 5.
При переключении передачи сцепление отжато, т.е. коленчатый
вал двигателя и первичный вал коробки переменных передач (КПП)
разъединены, следовательно, промежуточный вал с зафиксированными на нем шестернями, а также соответствующие им шестерни
вторичного вала вращаются свободно, независимо от скорости вращения коленчатого вала двигателя и колес автомобиля.
Вилка штока переключения передач, находясь в постоянном
зацеплении с наружным кольцом 3 синхронизированной муфты,
передвигаясь в направлении шестерни соответствующей передачи
через наружное кольцо, двигает внутренними шлицами сухарь 4,
11.2. Механические коробки передач без электронного управления
377
который прижимает коническое блокирующее кольцо 2 к конической поверхности соответствующего зубчатого колеса, создавая
повышенное трение в зоне контакта, что приводит к выравниванию угловых скоростей зубчатого колеса и синхронизированной
муфты. Наружное кольцо муфты заходит на шлицевой венец 1 шестерни. Таким образом, валы КПП оказываются соединенными
и вращаются с частотой, пропорциональной передаточному отношению выбранной передачи.
Учитывая то, что разница угловых скоростей при синхронизации шестерен низших передач больше, чем при синхронизации
шестерен высших передач, в некоторых коробках передач для включения низших передач используются синхронизаторы с тремя синхронизирующими кольцами (рис. 11.7, а). По сравнению с одинарной конусной системой обеспечивается существенное увеличение
площади трения. Эффективность синхронизатора повышается с увеличением поверхности отвода тепла. За счет этого угловые скорости шестерен низших передач удается выравнивать значительно
быстрее, поэтому при синхронизации требуется большее усилие
для преодоления силы инерции этих шестерен.
Для включения высших передач используются синхронизаторы с одним кольцом конусного трения (рис. 11.7, б). Разница угловых скоростей шестерен данных передач менее значительна, поэтому выравнивание скоростей происходит быстрее.
Особое внимание уделяется компактности коробок передач и их
способности вписаться в отводимое для них пространство. Приа
2
3
1
Рис. 11.7. Синхронизаторы
с тремя (а) и одним блокирующим кольцом (б):
4
5
б
6
5
3
1 — шестерня включения низшей передачи; 2 — внутреннее
кольцо; 3 — блокировочное
кольцо синхронизатора; 4 —
промежуточное кольцо; 5 — конус трения; 6 — шестерня включения высшей передачи
378
Глава 11. Трансмиссия
мером удачной в данном отношении конструкции является коробка
передач модели 0A5 Volkswagen (рис. 11.8). Она отличается малой
длиной, благодаря чему легко вписывается в затесненное подкапотное пространство автомобилей с поперечным размещением силовых агрегатов в передней части кузова. Существенное снижение
длины коробки передач достигается в результате применения четырехвальной конструкции, позволяющей разместить шестерни
в ограниченном по длине пространстве.
На первичном валу на игольчатых подшипниках установлены
соединяемые с ним с помощью синхронизатора шестерни пятой
и шестой передач. На этом же валу нарезаны ведущая шестерня
первой передачи и шестерня второй и третьей передач, а также напрессована ведущая шестерня четвертой передачи.
На первом вторичном валу на игольчатых подшипниках установлены соединяемые с ним с помощью синхронизатора шестерни
первой и второй передач, нарезана ведущая шестерня главной передачи и соединенная сваркой с шестерней первой передачи шестерня заднего хода.
На втором вторичном валу на игольчатых подшипниках установлены соединяемые с ним с помощью синхронизатора шестерни
третьей и четвертой передач. Ведомые шестерни пятой и шестой
передач соединены с валом посредством горячей прессовой посадки, а ведущая шестерня главной передачи непосредственно нарезана
на валу. Включение третьей и четвертой передач осуществляется
посредством трехконусного синхронизатора, ступица которого неподвижно установлена на шлицах.
На третьем вторичном валу на игольчатых подшипниках установлена соединяемая с ним с помощью синхронизатора включения заднего хода шестерня заднего хода и нарезана шестерня главной передачи.
Передачи с первой по четвертую включаются посредством трехконусных синхронизаторов, пятая и шестая передачи — с помощью
обычного одноконусного синхронизатора, передача заднего хода —
посредством инерционного синхронизатора с наружным кольцом.
Крутящий момент с первичного вала на главную передачу передается через один из трех вторичных валов, концевые шестерни
которых постоянно находятся в зацеплении с ведомой шестерней
главной передачи.
11.2. Механические коробки передач без электронного управления
379
4
R
3
2
1 R
6
5 2 3
1 4
6
5 3
4
2
1
5
Рис. 11.8. Четырехвальная шестиступенчатая коробка передач:
1 — второй вторичный вал; 2 — первичный вал; 3 — первый вторичный вал;
4 — третий вторичный вал; 5 — шестерня главной передачи; R — шестерни
передачи заднего хода; номерами обозначены шестерни соответствующих
передач
380
Глава 11. Трансмиссия
При включенной передаче заднего хода крутящий момент передается через шестерню первой передачи, вращающуюся на втором вторичном валу. К шестерне первой передачи приварена шестерня передачи заднего хода, через которую крутящий момент
передается на третий вторичный вал и далее на главную передачу.
11.3. Механические коробки передач
с электронным управлением
Производители современных автомобилей в целях повышения
экономичности и комфортности внедряют в производство коробки передач с электронным управлением (автоматические механические коробки передач), не уступающие по комфортности электрогидравлическим коробкам передач, но обладающие меньшими
потерями на привод трансмиссии. К таким коробкам передач можно отнести завоевывающие автомобильный рынок коробки с одним
сцеплением DC и двойным сцеплением DCG (Double Clutch Trans
mission).
Механические коробки передач с электронным управлением
и одним сцеплением. Описание коробок этого типа приводится на
примере автомобиля Lupo 3L. Конструкция механической коробки передач с электронным управлением базируется на конструкции 5-ступенчатой коробки передач для автомобилей VW-Polo
и Lupo (рис. 11.9).
В этой коробке передач применены определенные технологии
для снижения массы коробки, в частности ведомая шестерня главной передачи выполнена с проемами; использованы полые первичный и вторичный валы; шестерня пятой передачи выполнена в виде
колеса со спицами; уменьшен объема масла на 0,2 л при сохранении его уровня за счет смещения заливного отверстия.
Механическая коробка передач с электронным управлением
содержит три главные группы компонентов: электронные, гидравлические и механические части (рис. 11.10).
К электронным компонентам относятся:
рычаг селектора 10 коробки передач с электронным переключателем;
11.3. Механические коробки передач с электронным управлением
381
3
1
2
4
5
8
7
6
Рис. 11.9. Конструктивная схема механической коробки передач с электронным управлением:
1 — ведущая шестерня 5-й передачи; 2 — муфта включения 1-й и 2-й передачи, а также заднего хода; 3 — муфта включения 3-й и 4-й передачи; 4 — первичный вал коробки передач; 5 — вторичный вал коробки передач; 6 — шарнир типа «Трипод»; 7 — ведомая шестерня главной передачи; 8 — муфта
включения 5-й передачи
электронное управление дроссельной заслонкой от педали
акселератора;
электронный блок управления коробкой передач 8;
электромагнитные клапаны;
потенциометры 6 и микровыключатели.
В гидравлическую систему входят:
гидравлический блок с гидронасосом 1 и гидроаккумулятором 2;
рабочий цилиндр привода сцепления 3;
гидропереключатель передач 7;
гидравлические клапаны.
382
Глава 11. Трансмиссия
4
3
2
1
7
10
9
6
5
8
Рис. 11.10. Компоновка механической коробки передач с электронным
управлением:
1 — гидронасос; 2 — гидроаккумулятор; 3 — рабочий цилиндр привода сцепления; 4 — механическая коробка передач; 5 — шток выбора и переключения
передач; 6 — потенциометр на переключателе передач; 7 — гидропереключатель передач; 8 — электронный блок управления; 9 — потенциометр и микровыключатели в корпусе селектора; 10 — рычаг селектора
Механическая часть состоит:
из механической коробки передач 4;
штока выбора и переключения передач с рычажным механизмом его привода 5.
Работа коробки передач с электронным управлением зависит
от положения рычага селектора, определяемого посредством одного
потенциометра и четырех микровыключателей, сигналы с которых
поступают в электронный блок управления. Процесс переключения передач контролируется блоком управления. Переключение
передач и включение-выключение сцепления производятся посредством электромагнитных клапанов и гидравлической системы.
Система управления механической коробки передач показана
на рис. 11.11.
Подача рабочей жидкости под давлением производится от отдельного гидронасоса 2. В системе предусмотрен гидроаккумуля-
383
11.3. Механические коробки передач с электронным управлением
4
7
1
2
3
6
5
8
22
9
21
20
18
17
19
16
15
23
10
13
24
14
12
11
Рис. 11.11. Система управления механической коробки передач с электронным управлением:
1 — бачок для рабочей жидкости; 2 — гидронасос; 3 — гидроаккумулятор; 4 —
электромагнитные дросселирующие клапаны выбора передач; 5 — коромысло;
6, 7 — рычаг выбора передач; 8 — штанга; 9 — поршни гидроцилиндров выбора передач; 10 — шток выбора и включения передач; 11 — рычаг включения
передач; 12 — коромысло для включения передач; 13 — поршни гидроцилиндров включения передач; 14 — электромагнитные дросселирующие клапаны
включения передач; 15 — сцепление; 16 — рычаг выключения сцепления; 17 —
трос выключения сцепления; 18 — поршень рабочего цилиндра привода сцепления; 19 — обратные клапаны; 20 — рабочий цилиндр привода сцепления;
21 — электромагнитный клапан управления сцеплением; 22 — потенциометр;
23 — выбор передач; 24 — переключение передач; Т — подключение трубопровода слива в бачок; Р — подключение трубопровода со стороны насоса; K —
подключение трубопровода привода сцепления
тор 3, в котором содержится под давлением резервное количество
рабочей жидкости. Он необходим для автоматического выполнения процессов переключения передач.
Электронный блок управления получает информацию о величине давления рабочей жидкости в системе от установленного
в ней датчика давления. Гидропереключатель передач перемещает
шток выбора и включения передач 10 по командам электронного
блока управления.
384
Глава 11. Трансмиссия
Рабочая жидкость подается в гидравлические цилиндры гидропереключателя через электромагнитные дросселирующие клапаны 4 и 14. Поршни цилиндров 9 оказывают давление на коромысло 5, на оси которого закреплен рычаг выбора передач 6, связанный
через штангу 8 с рычагом на штоке выбора и включения передач 10.
Этот механизм вызывает поворот штока вокруг его оси, при этом
происходит выбор передач (поз. 23 на рис. 11.11).
При подаче команды на включение передачи рабочая жидкость
подается под давлением через электромагнитные клапаны в другую пару цилиндров. Поршни этих цилиндров 13 действуют на
коромысло 12, на оси которого закреплен рычаг включения передач 11. При этом шток выбора и включения передач 10 перемещается вперед или назад (поз. 24 на рис. 11.11).
В процессе переключения передач по команде с блока управления включается электромагнитный клапан управления сцеплением 21. Этот клапан позволяет выключать или включать сцепление.
На торце рабочего цилиндра привода сцепления установлен потенциометр 22, посредством которого в блок управления поступает
информация о положении поршня 18 рабочего цилиндра 20 и, следовательно, о состоянии муфты сцепления. Чтобы сцепление было
выключено, клапан управления должен переместиться в положение, при котором рабочая жидкость поступает из гидроаккумулятора в рабочий цилиндр его привода. Под давлением рабочей жидкости поршень рабочего цилиндра перемещается и увлекает за
собой при помощи троса рычаг выключения сцепления, в результате чего сцепление выключается. При этом вырабатываемый потенциометром сигнал положения поршня рабочего цилиндра поступает на вход электронного блока управления.
Механические коробки передач с электронным управлением
с двойным сцеплением. В коробке передач с двойным сцеплением
условно объединены две коробки, причем каждая со своим сцеплением. Одна «коробка» отвечает за включение нечетных передач
(первой, третьей и пятой), другая — четных: второй, четвертой
и шестой, что позволяет включить две передачи одновременно. Такая коробка передач называется преселективной.
Коробка передач DCG построена на базе шестиступенчатой трехвальной коробки. На верхнем ведомом валу установлены шестерни задней, пятой и шестой передач (рис. 11.12 и 11.13), на нижнем —
385
11.3. Механические коробки передач с электронным управлением
шестерни передач с первой по четвертую. В этой коробке два первичных вала. Каждый вал имеет свой пакет сцеплений, представляющий собой два пакета фрикционов, погруженных в масляную
1
2
4
5
3
4
1
2
6
3
7
8
6
11
5
9
12
R
10
Рис. 11.12. Схема коробки передач с двойным сцеплением
(работа на первой передаче):
1 — двухмассовый маховик; 2 — многодисковая муфта сцепления нечетных
передач; 3 — многодисковая муфта сцепления четных передач; 4 — главная
передача (на пятой, шестой передачах и передаче заднего хода); 5 — наружный первичный вал; 6 — первый вторичный вал; 7 — вал масляного насоса;
8 — масляный насос; 9 — второй вторичный вал; 10 — ось шестерен заднего
хода; 11 — внутренний первичный вал; 12 — корпус сцепления; 1 — шестерня первой передачи; 2 — шестерня второй передачи; 3 — шестерня третьей
передачи; 4 — шестерня четвертой передачи; 5 — шестерня пятой передачи; 6 — шестерня шестой передачи
386
Глава 11. Трансмиссия
2
3
1
4
5
7
6
Рис. 11.13. Общий вид коробки передач DCG:
1 — главная передача; 2 — масляный фильтр; 3 — охладитель масла; 4 — масляный насос; 5 — система управления коробкой передач; 6 — многодисковая
муфта включения нечетных передач; 7 — многодисковая муфта включения
четных передач
ванну. Функция отвода тепла от пар трения возложена на масло.
Циркуляцию его обеспечивает масляный насос, аналогичный тем,
которые устанавливаются на гидромеханических автоматических
коробках передач. Охлаждение масла и его очищение от продуктов
трения происходит в масляном фильтре и охладителе масла. Переключение передач осуществляется посредством гидроцилиндров,
воздействующих на штоки. При этом теряется часть энергии, однако не больше той, которую теряет гидротрансформатор в автоматической коробке передач до блокировки. В качестве управляющего звена в конструкцию введена специальная система управления. По сути, DСG не что иное, как замена традиционной гидромеханической коробки передач, в состав которой входят звено,
обеспечивающее бесступенчатое изменение крутящего момента
(гидротрансформатор), и набор планетарных рядов.
На наружном первичном валу находятся шестерни четных передач (второй, четвертой и шестой). Внутри наружного первичного
11.3. Механические коробки передач с электронным управлением
387
вала проходит внутренний первичный вал, на котором расположены
шестерни нечетных передач (первой, третьей, пятой) и заднего хода.
Коробка передач с двойным сцеплением обеспечивает переключение передач без разрыва потока мощности. Достигается это
следующим образом. В коробке DCG одновременно включены две
передачи. В обычных конструкциях такое положение ведет к неминуемой аварийной поломке, но в коробке передач DCG этого не
происходит. Работает только то зубчатое зацепление, ведущий вал
которого соединен с включенным в данный момент сцеплением.
Диски же другого сцепления разомкнуты, и поэтому вторая пара
шестерен не работает. При достижении необходимой частоты вращения коленчатого вала электронный блок управления определяет необходимый момент переключения, при этом два гидропривода одновременно отпускают первое сцепление и замыкают второе.
Работавшее до этого сцепление выключается и включается второе.
Поток мощности при этом практически без разрыва передается
дальше по кинематической цепочке.
Теперь активна уже вторая передача и заранее вводится в зацепление шестерни следующей, третьей, передачи. Как только настанет очередной необходимый момент переключения, электронный блок отдаст команды и коробка, синхронно манипулируя двумя
сцеплениями, плавно передаст крутящий момент от второй к третьей и так далее до шестой передачи. Причем одновременно с шестой передачи коробка сразу может включить и пятую — на тот
случай, если частота вращения коленчатого вала двигателя упадет
и понадобится больше тяги.
На рис. 11.14 упрощенно отображены механические связи в коробке DCG.
Крутящий момент с коленчатого вала двигателя передается на
двухмассовый маховик. Далее передача крутящего момента производится через разъемное шлицевое соединение маховика с входной ступицей коробки передач. Входная ступица жестко соединена с ведущим диском сдвоенного сцепления, который посредством
корпуса многодисковой муфты 2 соединен с главной ступицей
сцепления. С этой же ступицей соединен корпус муфты 4.
Крутящий момент подводится к каждой из муфт через ее корпус. Если муфта замкнута, крутящий момент передается на ее ступицу и далее на соединенный с ней первичный вал.
388
Глава 11. Трансмиссия
6
4
2
2
3
6
5
1
4
R
5
3
1
Рис. 11.14. Схема механических связей в коробке DCG:
1 — ведущий мост; 2 — многодисковая муфта сцепления четных передач; 3 —
двигатель; 4 — многодисковая муфта сцепления нечетных передач; 5 — четные
передачи; 6 — нечетные передачи; R — передача заднего хода
Многодисковые муфты (рис. 11.15) передают крутящий момент только за счет сил трения между дисками. Многодисковая
муфта 9 образует внешнюю часть блока муфт сцепления. Она служит для передачи крутящего момента на первичный вал 1, обслуживающий первую, третью и пятую передачи, а также передачу
заднего хода.
Муфта 9 включения нечетных передач замыкается под давлением масла, подводимого в ее гидроцилиндр 4. Перемещающийся
под давлением масла поршень 5 сжимает пакет дисков муфты 9.
В результате этого крутящий момент передается на диски, вращающиеся вместе с ее ступицей и соединенные с ней внутренним
первичным валом 1. При размыкании муфты поршень 5 отжимается диафрагменной пружиной 13 в исходное положение.
Многодисковая муфта 12 включения четных передач образует
внутреннюю часть блока муфт сцепления. Она служит для передачи крутящего момента на наружный первичный вал 2, обслуживающий вторую, четвертую и шестую передачи. Муфта 12 замыкается под давлением масла, подводимого в ее гидроцилиндр 6. При
этом перемещающийся под давлением масла поршень 3 сжимает
пакет дисков муфты 12, обеспечивая передачу крутящего момента
11.3. Механические коробки передач с электронным управлением
389
7
6
8
5
9
4
3
10
2
1
11
12
13
Рис. 11.15. Многодисковая муфта:
1 — внутренний первичный вал; 2 — наружный первичный вал; 3 — поршень
включения многодисковой муфты четных передач; 4 — гидроцилиндр многодисковой муфты включения нечетных передач; 5 — поршень включения многодисковой муфты нечетных передач; 6 — гидроцилиндр многодисковой муфты
включения четных передач; 7 — ступица муфты включения нечетных передач;
8 — корпус муфты включения нечетных передач; 9 — многодисковая муфта
включения нечетных передач; 10 — винтовая пружина; 11 — ступица муфты
включения четных передач; 12 — многодисковая муфта включения четных
передач; 13 — диафрагменная пружина
на наружный первичный вал 2. При размыкании муфты поршень 3
отжимается в исходное положение винтовыми пружинами 10.
Передачи переключаются посредством вилок и синхронизаторов такого же типа, как в обычных механических коробках передач. Каждая из вилок включает две передачи. Однако в коробке
передач DCG используется гидравлический привод вилок вклю-
390
1
Глава 11. Трансмиссия
2
Рис. 11.16. Схема механизма переключения передач:
3
4
1 — подача масла; 2 — фиксатор; 3 — гидроцилиндр; 4 —
поршень
чения передач (рис. 11.16), а не привод посредством тяг и рычагов,
применяемый обычно в механических коробках передач. Штоки
вилок включения передач перемещаются в гидроцилиндрах на шариках. Процесс включения передачи начинается с команды блока
управления на подачу масла, например, в левый гидроцилиндр
привода вилки. Так как давление масла в правом гидроцилиндре
отсутствует, шток вместе с вилкой перемещается вправо, увлекая
за собой скользящую муфту синхронизатора, в результате чего
включается передача и находящийся под давлением гидроцилиндр
переключается на слив. Муфта синхронизатора удерживается за
счет скосов на зубьях венца включенной шестерни и фиксатора,
действующего на шток вилки. В исходном нейтральном положении вилка удерживается фиксатором, установленным в картере
коробки передач.
Каждая вилка оснащена постоянным магнитом. Этот магнит
является задающим элементом датчика перемещения, по сигналу
которого система управления определяет точное положение вилок
включения передач.
Применение коробки передач DCG дает 0,2-секундный выигрыш в разгоне до 100 км/ч по сравнению с обычной шестиступенчатой КПП.
Разновидностью коробки передач с двумя сцеплениями является семиступенчатая КП со сдвоенным сцеплением ОAM от Volks
wagen. В отличие от предыдущей в ней установлены сухие одинарные сцепления. Управление коробкой осуществляется с помощью
11.3. Механические коробки передач с электронным управлением
2
3
7
391
4
6
4
2
5
3
1
5
R
К2
К1
6
7
1
8
Рис. 11.17. Принципиальная схема коробки передач с двумя
сцеплениями сухого типа:
1 — вторичный вал 1; 2 — вторичный вал 2; 3 — вторичный вал 3; 4 — делительный механизм 2; 5 — первичный вал 2; 6 — крутящий момент; 7 — первичный вал 1; 8 — делительный механизм 1; К1, К2 — сцепления
специального электронно-гидравлического блока Mechatronik. Система смазки коробки предусматривает раздельные масляные контуры для блока Mechatronik и механической части КП с заправкой
масла на весь срок службы.
Коробка передач со сдвоенным сцеплением ОAM состоит из
двух независимых друг от друга делительных механизмов (рис. 11.17).
Каждому делительному механизму соответствует одно сцепление.
Блок Mechatronik регулирует, размыкает и замыкает диски обоих
сцеплений в зависимости от включаемой передачи.
Через сцепление K1, соответственно через делительный механизм 1 и вторичный вал 1, производится включение 1, 3, 5 и 7 передач. Передачи 2, 4, 6 и передача заднего хода включаются через
сцепление K2 и через делительный механизм 2 и вторичные валы
2 и 3. Как и в предыдущей коробке передач, здесь могут быть включены две передачи, но замкнуто только одно сцепление, второе
в этот момент разомкнуто.
Для каждой передачи предусмотрен стандартный для механической КП механизм синхронизации и переключения передач.
Сдвоенное сцепление расположено в картере сцепления. Оно
состоит из двух обычных сцеплений K1 и K2, объединенных в сдвоенное сцепление (рис. 11.18).
392
Глава 11. Трансмиссия
3
4
5
R2
6
2
5
R1
7 6
7
1
3
4
8
2
1
9
11
10
Рис. 11.18. Схема передачи крутящего момента в коробке передач
с двумя сцеплениями сухого типа:
1 — вторичный вал 1; 2 — вторичный вал 2; 3 — вторичный вал 3; 4 — сцепление К2; 5 — двухмассовый маховик; 6 — сцепление К1; 7 — первичный вал 1;
8 — первичный вал 2; 9 — несущее кольцо; 10 — дифференциал; 11 — зубчатое
колесо главной передачи; 1 ... 7 — номера передач; R1 — промежуточная
шестерня передачи заднего хода; R2 — шестерня заднего хода
Сцепление K1 передает крутящий момент через шлиц на первичный вал 1. От первичного вала 1, установленного внутри полого первичного вала 2, крутящий момент для передач 1 и 3 передается на вторичный вал 1, а для передач 5 и 7 — на вторичный
вал 2.
Сцепление K2 передает крутящий момент через шлиц на полый первичный вал 2. Оттуда крутящий момент для передач 2 и 4
передается на вторичный вал 1; а для передачи 6 и передачи заднего хода — на вторичный вал 2. Через промежуточную шестерню передачи заднего хода R1 происходит дальнейшая передача
11.3. Механические коробки передач с электронным управлением
393
крутящего момента на шестерню передачи заднего хода R2 вторичного вала 3. Все три вторичных вала соединены с зубчатым
колесом главной передачи дифференциала.
Крутящий момент передается на ведущий диск сдвоенного
сцепления через несущее кольцо. Для этого несущее кольцо и ведущий диск прочно соединены друг с другом. Ведущий диск установлен на первичном валу 2 (поз. 8) как свободно вращающееся
колесо. При задействовании одного из двух сцеплений крутящий
момент передается от ведущего диска на соответствующий диск
сцепления и далее на соответствующий первичный вал.
Для приведения сцепления в действие рычаг выключения сцепления прижимает выжимной подшипник к диафрагменной пружине (рис. 11.19). За счет этого один из нажимных дисков прижимается к диску сцепления и к ведущему диску. Другой нажимной
диск в это время будет не прижат к своему ведомому диску и крутящий момент со второго первичного вала передаваться не будет.
Сцепления K1 и K2 приводятся гидравлически. Для этого в блоке
Mechatronik для каждого из сцеплений предусмотрен отдельный
привод, который состоит из цилиндра и поршня (рис. 11.20). Поршень
приводит рычаг выключения сцепления. На поршне расположен
4
3
Рис. 11.19. Схема работы дисков
сцепления:
2
5
6
1
1 — рычаг выключения сцепления;
2 — диафрагменная пружина; 3 —
выжимной подшипник; 4 — нажимной диск; 5 — ведущий диск; 6 — ведомый диск
394
Глава 11. Трансмиссия
1
2
3
4
5
6
7
11
10
9
8
Рис. 11.20. Привод рычагов сцепления:
1 — цилиндр привода сцепления; 2 — привод сцепления К1; 3 — постоянный
магнит; 4 — манжета; 5 — поршень; 6 — шток поршня; 7 — пыльник; 8 — рычаг
выключения сцепления; 9 — привод сцепления К2; 10 — направляющее кольцо;
11 — опорное кольцо
постоянный магнит, который служит для распознавания положения поршня с помощью датчика хода сцепления.
В блок центрального модуля управления Mechatronik поступают сигналы от датчиков и сигналы других блоков управления, он же
осуществляет контроль и проведение всех действий. Обрабатывая
полученные сигналы и сравнивая их с программным обеспечением, блок подает сигнал на исполнительные механизмы — электромагнитные клапаны включения семи передач и привод сцепления.
Переключение соответствующих передач осуществляется за счет
силовых цилиндров, в которых поршень передвигает вилку, воздействующую на синхронизатор (рис. 11.21).
Для включения передачи, например первой, клапан переключателя передач увеличивает давление масла в левой полости поршня.
За счет этого поршень переключателя передач смещается вправо.
Поскольку вилка включения и скользящая муфта соединены с поршнем, то они тоже перемещаются вправо, при этом включается первая передача.
Переключение передач в вышеописанных коробках может осуществляться ручным способом с помощью рычага управления либо
клавишами-лепестками сдвигом их вперед или назад, расположен-
395
11.4. Автоматические коробки передач
2
3
Рис. 11.21. Схема механизма
переключения передач:
1
4
1 — полости поршня; 2 — цилиндр
переключения передач; 3 — поршень переключения передач; 4 —
вилка переключения передач; 5 —
скользящая муфта синхронизатора
5
ными на рулевом колесе, водитель на самом деле всего лишь передает сигнал электронному блоку управления. Фиксированных положений рычага или лепестков нет, они всегда возвращаются в первоначальное положение. Для выбора решения, принимаемого блоком
управления, используется информация от датчиков, анализирующих режимы работы двигателя, отслеживающих скорость и ускорение, с которыми движется автомобиль, определяющих положение рулевого колеса, педали акселератора. Управление коробкой
передач осуществляется по командам блока управления. Педаль
сцепления отсутствует.
11.4. Автоматические коробки передач
11.4.1. Автоматические гидромеханические
коробки передач
Основным неудобством пpи использовании механических ступенчатых коробок передач является то, что водителю для переключения передач постоянно приходится нажимать на педаль сцепления и перемещать рычаг переключения передач. Это требует
значительных затрат физических сил, особенно в условиях городского движения или при управлении автомобилем, работающим
с частыми остановками. Для устранения таких неудобств и облегчения работы водителя легкового автомобиля все более широко
применяются гидромеханические коробки передач. Они выполняют
396
Глава 11. Трансмиссия
одновременно функции сцепления и коробки передач с автоматическим или полуавтоматическим переключением передач.
Применение гидромеханической передачи на автомобиле позволяет получить следующие преимущества:
обеспечение автоматизации переключения передач и отсутствие необходимости в педали сцепления;
улучшение проходимости автомобиля в условиях бездорожья за счет отсутствия разрыва потока мощности при переключении передач;
повышение долговечности двигателя и агрегатов трансмиссии благодаря способности гидротрансформатора снижать динамические нагрузки.
Недостатками гидромеханической передачи являются потеря
мощности и повышение расхода топлива за счет более низкого
КПД по сравнению с механической коробкой передач.
Автоматические коробки передач подразделяются:
на гидромеханические, переключение передач в которых происходит с помощью механических регуляторов;
электронно-гидромеханические, осуществляющие переключение передач с помощью электромагнитных клапанов и включающие электронную систему управления;
вариаторные клиноременные, переключение передач в которых происходит с помощью механических регуляторов;
электронно-вариаторные клиноременные, осуществляющие
переключение передач с помощью электромагнитных клапанов
и включающие электронную систему управления.
Гидромеханическая коробка передач. Состоит из гидротрансформатора и механической коробки передач. На легковых автомобилях наиболее распространены гидромеханические коробки
с планетарными механизмами. Их преимуществами являются компактность конструкции, меньшая металлоемкость и шумность, больший срок службы. К недостаткам относятся сложность, высокая
стоимость, пониженный КПД. Переключение передач в этих коробках производится при помощи фрикционных муфт и ленточных
тормозных механизмов. При этом при включении одной передачи
часть фрикционных муфт и ленточных тормозных механизмов
пробуксовывает, что также снижает их КПД.
397
11.4. Автоматические коробки передач
а
1
2
3
б
1
2
3
4
5
6
4
Рис. 11.22. Гидротрансформатор:
а — общий вид; б — схема
Гидротрансформатор (рис. 11.22) представляет собой гидравлический механизм, который размещен между двигателем и механической коробкой передач. Он состоит из трех колес с лопатками:
насосного (ведущего), турбинного (ведомого) и реактора. Насосное колесо 3 закреплено на маховике 1 двигателя и образует корпус гидротрансформатора, внутри которого размещены турбинное
колесо 2, соединенное с первичным валом 5 коробки передач, и реактор 4, установленный на роликовой муфте 6 свободного хода.
Внутренняя полость гидротрансформатора на 3/4 своего объема
заполнена специальным маслом малой вязкости.
Каждое колесо имеет наружный и внутренний торцы, между
которыми располагаются профилированные лопатки, образующие
каналы для протока жидкости. Все колеса гидротрансформатора
максимально приближены друг к другу, а вытеснению жидкости
препятствуют специальные уплотнения.
При работающем двигателе насосное колесо вращается вместе
с маховиком двигателя. Масло под действием центробежной силы
поступает к наружной части насосного колеса, воздействует на лопатки турбинного колеса и приводит его во вращение. Из турбинного колеса масло поступает в реактор, который обеспечивает плавный и безударный вход жидкости в насосное колесо. Это также
398
Глава 11. Трансмиссия
колесо с лопатками, однако оно жестко прикреплено к корпусу
и не вращается (заметим: до определенного времени). Реактор расположен на пути, по которому масло возвращается из турбины
в насос. Лопатки реактора имеют особый профиль, а межлопаточные каналы постепенно сужаются. По этой причине скорость,
с которой рабочая жидкость течет по каналам направляющего аппарата, постепенно увеличивается, а сама жидкость выбрасывается из реактора в сторону вращения насосного колеса, как бы подталкивая и подгоняя его. Отсюда сразу два следствия.
Первое — благодаря увеличению скорости циркуляции масла
внутри гидротрансформатора при неизменном режиме работы насоса крутящий момент на выходном валу гидротрансформатора
увеличивается.
Второе — при неизменном режиме работы насоса режим работы турбины изменяется автоматически и бесступенчато в зависимости от приложенного к валу турбины сопротивления. Допустим,
автомобилю, который двигался по равнинному участку дороги,
предстоит подъем в гору, при этом педаль акселератора находится
в статическом положении. Нагрузка на ведущие колеса увеличивается, а автомобиль начинает терять скорость. Это приводит
к уменьшению частоты вращения турбины. В свою очередь, уменьшается противодействие движению рабочей жидкости по кругу
циркуляции внутри гидротрансформатора. В результате скорость
циркуляции возрастает, что автоматически приводит к увеличению крутящего момента на валу турбинного колеса (аналогично
переходу на низшую передачу в механических КПП) до тех пор,
пока не наступит равновесие между ним и моментом сопротивления движению. По аналогичной схеме работает автоматическая
трансмиссия и при старте с места.
Таким образом, масло циркулирует по замкнутому кругу и обеспечивается передача крутящего момента в гидротрансформаторе.
Жесткая связь при этом между двигателем и трансмиссией отсутствует. Это способствует обеспечению работы двигателя и остановке автомобиля с включенной передачей. Наличие такой связи
устраняет вероятность того, что заглохнет двигатель как по неопытности водителя, так и вследствие внезапного возрастания внешнего
сопротивления, при котором может произойти полная остановка
автомобиля.
11.4. Автоматические коробки передач
399
Характерной особенностью гидротрансформатора является увеличение крутящего момента при его передаче от двигателя к первичному валу коробки передач. Наибольшее увеличение крутящего момента на турбинном колесе гидротрансформатора получается
при трогании автомобиля с места, при этом коэффициент трансформации может составлять до 2,4. В этом случае реактор неподвижен, так как заторможен муфтой свободного хода. По мере разгона
автомобиля увеличивается скорость вращения насосного и турбинного колес. При этом муфта свободного хода расклинивается
и реактор начинает вращаться с увеличивающейся скоростью, оказывая все меньшее влияние на передаваемый крутящий момент.
После достижения реактором максимальной скорости вращения
гидротрансформатор перестает изменять крутящий момент и переходит на режим работы гидромуфты. Таким образом, происходит плавный разгон автомобиля и бесступенчатое изменение крутящего момента.
Собственно по такой схеме работает гидромуфта, которая просто передает крутящий момент, не трансформируя его величину.
Когда автомобиль припаркован, турбинное колесо находится
в неподвижном состоянии, однако внутреннее проскальзывание
в гидротрансформаторе не мешает двигателю работать на холостом ходу. В этом случае крутящий момент трансформируется
в максимально возможное число раз. При достижении необходимой скорости надобность в преобразовании крутящего момента
отпадает. Гидротрансформатор посредством автоматически действующей блокировки превращается в звено, практически жестко
связывающее ведущий и ведомый валы. Такая блокировка исключает внутренние потери, увеличивает значение КПД передачи,
уменьшает расход топлива в установившемся режиме движения,
а при замедлении повышает эффективность торможения двигателем. Одновременно с целью снижения указанных потерь реактор
может освободиться и вращаться вместе с насосным и турбинным
колесом.
КПД гидротрансформатора определяет экономичность его работы. Максимальное значение КПД гидротрансформатора может
быть от 0,85 до 0,97, но обычно находится в диапазоне от 0,7 до 0,8.
В комплексном гидротрансформаторе на режиме гидромуфты
можно получить максимальное значение КПД до 0,97.
400
Глава 11. Трансмиссия
Поскольку гидродинамические передачи не пропускают крутильные колебания от двигателя в трансмиссию, повышается надежность и долговечность элементов трансмиссии, а также силового агрегата в целом. Лопастные колеса гидропередачи (насосное,
турбинное, реакторное) практически не изнашиваются.
К сожалению, гидротрансформатор имеет малый диапазон передаточных чисел, не обеспечивает движения задним ходом, не
разобщает двигатель и трансмиссию (необходима сложная система опорожнения проточных частей от рабочей жидкости). Поэтому
за гидротрансформатором устанавливают специальную планетарную коробку передач, которая компенсирует указанные недостатки.
Планетарная коробка передач включает в себя планетарные
механизмы. В простейшем планетарном механизме (рис. 11.23)
солнечная шестерня 6, закрепленная на ведущем валу 1, находится
в зацеплении с шестернями-сателлитами 3, свободно установленными на своих осях. Оси сателлитов закреплены на водиле 4,
жестко соединенном с ведомым валом 5, а сами сателлиты находятся в зацеплении с коронной шестерней 2, имеющей внутренние
зубья.
Передача крутящего момента с ведущего вала 1 на ведомый
вал 5 возможна только при заторможенной с помощью ленточного
тормоза 7 или многодискового «мокрого» сцепления коронной шестерне 2. В этом случае при вращении шестерни 6 сателлиты 3,
2
3
4
1
5
3
7
6
Рис. 11.23. Планетарный механизм
401
11.4. Автоматические коробки передач
3 4
5
2
1
Рис. 11.24. Ленточный тормоз в сборе:
1 — ленточный тормоз; 2 — анкерная стяжка; 3 — шток поршня;
4 — пружина; 5 — поршень
перекатываясь по зубьям неподвижной шестерни 2, вращаются вокруг своих осей и одновременно через водило 4 вращают ведомый
вал 5. При растормаживании шестерни 2 сателлиты 3, свободно
перекатываясь по шестерне 6, вращают шестерню 2, а вал 5 остается неподвижным.
Затормаживание коронной шестерни осуществляется ленточным тормозом (рис. 11.24). Внутренняя поверхность ленточного
тормоза покрыта фрикционным материалом. Один конец ленточного тормоза крепится к картеру коробки передач, в то время как
другой конец соединяется со штоком 3 поршня. При подаче рабочей жидкости под ее давлением перемещаются поршень и шток,
который обжимает ленточный тормоз вокруг барабана. Когда давление сбрасывается, возвратная пружина 4 перемещает поршень
назад в цилиндр, и ленточный тормоз отпускает тормозной барабан.
В автоматических коробках передач применяются фрикционные муфты сцепления. Фрикционная муфта сцепления состоит из
комплекта покрытых слоем фрикционного материала дисков, прижатых друг к другу через прокладки в виде тонких пластин из
гладкого металла (рис. 11.25).
При этом часть фрикционных дисков оснащена внутренними
шлицами, часть — наружными. Прижимание дисков друг к другу
обеспечивается гидравлическим поршнем 2, для выключения сцепления применяется возвратная пружина. При подаче к поршню
402
Глава 11. Трансмиссия
а
3
2
1
б
Рис. 11.25. Фрикционная муфта сцепления автоматической коробки
передач:
а — выключенное состояние; б — включенное состояние; 1 — канал подачи
рабочей жидкости; 2 — поршень; 3 — кожух муфты
давления рабочей жидкости диски плотно прижимаются друг к другу,
образуя единое целое (рис. 11.25, б). Как только давление снимается, возвратная пружина отводит поршень назад и диски выводятся из зацепления (рис. 11.25, а). В качестве возвратных пружин
могут использоваться винтовые, диафрагменные и гофрированные
дисковые пружины.
Как пример гидромеханических передач рассмотрим двухступенчатую гидромеханическую коробку передач (рис. 11.26). Она
состоит из гидротрансформатора 1, механической планетарной коробки передач с многодисковым фрикционом 3 и двумя ленточными
тормозными механизмами 2 и 4 и гидравлической системы управления кнопочным переключением передач. Кнопки соответственно означают нейтральное положение, задний ход, первую передачу
1
3
4
6
5
Рис. 11.26. Гидромеханическая коробка передач
2
11.4. Автоматические коробки передач
403
404
Глава 11. Трансмиссия
и движение с автоматическим переключением передач. В двухступенчатой механической коробке передач имеются два одинаковых
планетарных механизма 5 и 6.
В нейтральном положении фрикцион 3, а также тормозные механизмы 2 и 4 выключены. Трогание автомобиля с места происходит при включенной первой передаче. В этом случае масло под
давлением поступает в цилиндр тормозного механизма 2, лента
которого затягивается, и солнечная шестерня планетарного механизма 6 останавливается.
Если включена кнопка «Движение», то при разгоне автомобиля происходит автоматическое переключение на вторую передачу,
что обеспечивается одновременным выключением тормозного механизма 2 и включением фрикциона 3. В этом случае планетарные
механизмы 5 и 6 блокируются и вращаются как единое целое.
Для движения автомобиля задним ходом включается только
тормозной механизм 4.
Рабочая температура автоматической коробки передач может
быть сопоставима с температурой двигателя, а иногда даже превышает ее. Поэтому автомобили с автоматической коробкой имеют
специальную систему охлаждения, радиатор которой либо встроен
в радиатор системы охлаждения двигателя, либо установлен отдельно и охлаждается воздушным потоком.
Гидромеханическая коробка передач с электронным управлением. В настоящее время автоматические коробки передач имеют
электронное управление, что позволяет гораздо точнее выдерживать заданные моменты переключения (с точностью до 1 % вместо
прежних 6...8 %). Появились дополнительные возможности: по характеру изменения скорости при данной нагрузке на двигатель
электронный блок управления может вычислить массу автомобиля и ввести соответствующие поправки в алгоритм переключения.
Электронное управление предоставило неограниченные возможности для самодиагностики, что позволило корректировать процессы
управления в зависимости от многих параметров (от температуры
и вязкости жидкости до степени износа фрикционных элементов).
Система автоматического управления обычно включает следующие подсистемы:
функционирования (гидравлические насосы, регуляторы
давления);
11.4. Автоматические коробки передач
405
измерительную, собирающую информацию о параметрах
управления;
управляющую, вырабатывающую управляющие сигналы;
исполнительную, осуществляющую управление переключением передач, работой двигателя;
ручного управления;
автоматических защит, предотвращающую возникновение
опасных ситуаций.
Основными элементами электронной системы управления являются электронный блок и рычаг управления.
В качестве примера современной автоматической коробки
передач (АКП) с электронным управлением рассмотрим шестиступенчатую коробку передач 09G японского концерна AISIN
(рис. 11.27).
АКП состоит из гидротрансформатора, механической планетарной коробки передач с многодисковыми фрикционами и многодисковыми тормозными механизмами, гидравлической системы,
систем охлаждения и смазки, электрической системы.
Планетарные редукторы объединены по схеме, разработанной
Лепеллетье (Lepelletier) (рис. 11.28). Крутящий момент двигателя
подводится к одинарному планетарному редуктору и направляется на сдвоенный планетарный редуктор Равиньо (Ravigneaux).
Управление одинарным планетарным редуктором производится посредством многодисковых муфт K1 и K3 и многодискового
тормоза B1 (рис. 11.27). Число сателлитов в планетарных рядах
выбирается в зависимости от передаваемого крутящего момента.
Сдвоенный планетарный ряд управляется посредством многодисковой муфты K2, многодискового тормоза B2 и обгонной муфты F. В системе управления муфтами предусмотрены устройства
динамической компенсации рабочего давления, которые делают
работу муфт независящей от частоты вращения. Муфты K1, K2
и K3 служат для подвода крутящего момента к планетарным рядам, а с помощью тормозов B1, B2 и обгонной муфты обеспечивается передача реактивных моментов на картер коробки передач.
Давление в рабочих цилиндрах муфт и тормозов изменяется
посредством регулирующих клапанов.
Обгонная муфта F представляет собой механизм, который работает параллельно с тормозом.
406
Глава 11. Трансмиссия
K3 K1 B1
F B2 K2
P1
P2
PT1
S1
PT2
S2
S3
1
P3
3
2
Рис. 11.27. Разрез автоматической шестиступенчатой коробки передач 09G:
K — многодисковые муфты; В — многодисковые тормоза; S — солнечные шестерни; Р — сателлиты; РТ — водило; F — обгонная муфта; 1 — вал турбинного
колеса; 2 — ведомая шестерня промежуточной передачи; 3 — жидкостный насос
Работа автоматической коробки передач. Первая передача
в обычном режиме. Активными механизмами являются многодисковая муфта K1 и обгонная муфта F (рис. 11.29, а).
Вместе с валом турбинного колеса вращается коронная шестерня H1 одинарного планетарного ряда. Эта шестерня приводит
во вращение сателлиты P1, которые обкатываются по неподвиж-
407
11.4. Автоматические коробки передач
H1
а
P1
H2
б
P2
S1
PT2
S2
1
S3
P3
Рис. 11.28. Двухредукторная планетарная система Лепеллетье:
а — обычный планетарный редуктор; б — планетарный редуктор Равиньо; 1 —
вал турбинного колеса; Р1 — сателлит коронной шестерни Н1; Р2 — сателлит
солнечной шестерни 2; Р3 — сателлит коронной шестерни 1; PT2 — водило
солнечной шестерни; S1 — солнечная шестерня 1; S2 — солнечная шестерня
2; S3 — солнечная шестерня 3; Н1 — коронная шестерня 1; Н2 — коронная
шестерня 2
ной солнечной шестерне S1. При этом приводится во вращение
водило PT1.
Так как многодисковая муфта K1 замкнута, крутящий момент
передается на солнечную шестерню S3 сдвоенного планетарного
ряда. Длинные сателлиты передают крутящий момент на коронную шестерню H2, которая непосредственно связана с ведущей
шестерней промежуточной передачи. Водило PT2 опирается при
этом на обгонную муфту F.
Поскольку первая передача осуществляется с участием обгонной муфты F, при переходе автомобиля на режим движения накатом передача крутящего момента прекращается. При этом ведущими являются колеса автомобиля. Обгонная муфта F свободно
вращается в направлении, противоположном ее блокировке, поэтому тормозное действие двигателя не используется.
Первая передача при торможении двигателем в режиме управления. Активными механизмами являются многодисковая муфта K1
и многодисковый тормоз B2 (рис. 11.29, б). Передача крутящего
момента соответствует при этом описанной выше для первой передачи. Торможение двигателем осуществляется с помощью тормоза B2, который блокирует обгонную муфту F и вместе с ней во-
F
2
PT2
S3
H2
б
K1
Рис. 11.29. Работа АКП на первой передаче:
P1 S1 K1 H1
F
PT2
Передача крутящего
момента
Детали, удерживаемые от
вращения или опирающиеся
на обгонную муфту
B2
а — в обычном режиме; б — при торможении двигателем (позиции соответствуют позициям рис. 11.27)
1
PT1
а
408
Глава 11. Трансмиссия
11.4. Автоматические коробки передач
409
дило PT2. В отличие от обгонной муфты тормоз B2 может блокировать водило PT2 при любом направлении его вращения, что
позволяет использовать его и при включении заднего хода.
Вторая передача. Активными механизмами являются многодисковая муфта K1 и многодисковый тормоз B1 (рис. 11.30, а).
Вал турбинного колеса вращается вместе с коронной шестерней H1 одинарного планетарного ряда. Эта шестерня увлекает за
собой сателлиты P1, которые обкатываются по неподвижной солнечной шестерне S1. Вместе с ними вращается водило PT1.
Муфта K1 соединяет водило PT1 с солнечной шестерней S3,
передавая крутящий момент на сдвоенный планетарный ряд.
Тормоз B1 удерживает большую солнечную шестерню S2 от
вращения. С солнечной шестерни S3 крутящий момент передается
на короткие сателлиты P3 и далее на длинные сателлиты P2. При
этом длинные сателлиты P2 обкатываются по неподвижной солнечной шестерне S2 и приводят во вращение коронную шестерню H2.
Третья передача. Активными механизмами являются многодисковые муфты K1 и K3 (рис. 11.30, б).
Вал турбинного колеса вращается вместе с коронной шестерней H1 одинарного планетарного ряда. Эта шестерня увлекает за
собой сателлиты P1, которые обкатываются по неподвижной солнечной шестерне S1. Вместе с ними вращается водило PT1.
Муфта K1 соединяет водило PT1 с солнечной шестерней S3,
передавая крутящий момент на сдвоенный планетарный ряд. Муфта K3 также передает крутящий момент на солнечную шестерню S2
сдвоенного планетарного ряда. Одновременное замыкание муфт
K1 и K3 приводит к блокированию сдвоенного планетарного ряда.
В результате этого крутящий момент передается со сдвоенного
планетарного ряда непосредственно на ведомую шестерню промежуточной передачи.
Четвертая передача. Активными механизмами являются многодисковые муфты K1 и K2 (рис. 11.31, а).
Вал турбинного колеса вращается вместе с коронной шестерней H1 одинарного планетарного ряда и наружным барабаном муфты K2. Шестерня H1 увлекает за собой сателлиты P1, которые обкатываются по неподвижной солнечной шестерне S1. Вместе с ними
вращается водило PT1.
B1 P1 K1 S1 H1
H2
P2
P3
S2
S3
1
PT1
б
K3 P1 K1 S1 H1
2
S2
S3
Рис. 11.30. Работа АКП на второй (а) и третьей (б) передаче (позиции соответствуют позициям рис. 11.27)
1
PT1
а
410
Глава 11. Трансмиссия
P1 K1
S1 H1
K2
H2
P2
PT2
P3
S3
1
PT1
б
K3 P1
S1
H1
K2
H2
P2
PT2
S2
Рис. 11.31. Работа АКП на четвертой (а) и пятой (б) передаче (позиции соответствуют позициям рис. 11.27)
1
PT1
а
11.4. Автоматические коробки передач
411
1
а
K1
K2
H2
P2
PT2
S2
1
PT1
б
K3 P1 S1 H1
B2
Рис. 11.32. Работа АКП на шестой передаче (а) и передаче заднего хода (б)
(позиции соответствуют позициям рис. 11.27)
K3 B1
H2
P2
PT2
S2
412
Глава 11. Трансмиссия
11.4. Автоматические коробки передач
413
Муфта K1 соединяет водило PT1 с солнечной шестерней S3,
передавая крутящий момент на сдвоенный планетарный ряд. Одновременно крутящий момент передается с вала турбинного колеса на водило PT2 сдвоенного планетарного ряда через замкнутую
муфту K2. Длинные сателлиты P2 и находящиеся с ними в зацеплении короткие сателлиты P3 приводят во вращение коронную
шестерню H2 через водило PT2.
Пятая передача. Активными механизмами являются многодисковые муфты K1 и K3 (рис. 11.31, б).
Вал турбинного колеса вращается вместе с коронной шестерней H1 одинарного планетарного ряда и наружным барабаном
муфты K2. Шестерня H1 увлекает за собой сателлиты P1, которые
обкатываются по неподвижной солнечной шестерне S1. Вместе
с ними вращается водило PT1.
Муфта K3 соединяет водило PT1 с солнечной шестерней S2,
передавая крутящий момент на сдвоенный планетарный ряд.
Муфта K2 соединяет вал турбинного колеса с водилом сдвоенного планетарного ряда, передавая на него крутящий момент. Длинные сателлиты P2 вместе с водилом PT2 и солнечной шестерней S2
приводят во вращение коронную шестерню H2.
Шестая передача. Активными механизмами являются многодисковая муфта K2 и тормоз В1 (рис. 11.32, а).
Тормоз B1 удерживает солнечную шестерню S2 от вращения.
Муфта K2 соединяет вал турбинного колеса с водилом сдвоенного
планетарного ряда, передавая на него крутящий момент. Сателлиты P2 обкатываются по неподвижной солнечной шестерне S2, увлекая во вращение коронную шестерню H2.
Муфты K1 и K3 разомкнуты, поэтому одинарный планетарный
ряд в передаче крутящего момента не участвует.
Передача заднего хода. Активными механизмами являются многодисковая муфта K3 и тормоз В2 (рис. 11.32, б).
Вал турбинного колеса вращается вместе с коронной шестерней H1 одинарного планетарного ряда. Шестерня H1 увлекает за
собой сателлиты P1, которые обкатываются по неподвижной солнечной шестерне S1. Вместе с ними вращается водило PT1.
Муфта K3 соединяет водило PT1 с солнечной шестерней S2,
передавая крутящий момент на сдвоенный планетарный ряд. Тормоз B2 удерживает водило PT2 сдвоенного планетарного ряда.
414
Глава 11. Трансмиссия
С солнечной шестерни S2 крутящий момент передается на длинные сателлиты P2. Так как водило PT2 неподвижно, крутящий момент передается на коронную шестерню H2, постоянно связанную
с валом промежуточной передачи. При этом коронная шестерня H2
вращается в противоположном коленчатому валу направлении.
Муфта блокировки гидротрансформатора (МБГ). Гидротрансформатор работает по принципу гидродинамической передачи, поэтому передача крутящего момента возможна только при
наличии разности частот вращения насосного и турбинного колес.
Эту разность называют проскальзыванием гидротрансформатора.
Проскальзывание приводит к снижению его KПД. Для устранения
проскальзывания при движении автомобиля с высокими скоростями и малыми нагрузками в АКП применяется муфта блокировки гидротрансформатора, ведомый диск 5 которой может иметь
накладки с одной или с двух сторон (рис. 11.33). В последнем случае обеспечивается более длительная передача больших крутящих
моментов. Диск с накладками установлен между корпусом гидротрансформатора и нажимным диском 3 муфты. Ведомый диск
жестко соединен с турбинным колесом. При замыкании муфты
крутящий момент передается на ведомый диск с двух сторон и далее на турбинное колесо.
Управление муфтой производится посредством электрогидравлических распределителей, которые изменяют направление течения
рабочей жидкости и ее давление на ту или другую сторону нажимного диска муфты. Передаваемое через управляющую магистраль
давление жидкости действует на золотниковые клапаны, которые
управляют направлением подачи и давлением рабочей жидкости,
поступающей в муфту блокировки.
При разомкнутой муфте (рис. 11.33, а) на обе стороны ее нажимного диска действует одинаковое давление. При этом жидкость перетекает из полости под нажимным диском в полость турбинного колеса вдоль поверхностей трения промежуточного диска.
Нагретая рабочая жидкость направляется через распределительный клапан 11 к охладителю 10.
Замыкание муфты блокировки гидротрансформатора происходит в результате изменения направления подачи жидкости распределителем и изменения ее давления регулятором (рис. 11.33, б).
При этом давление в полости под нажимным диском снижается.
415
11.4. Автоматические коробки передач
a
б
5
6
4
7
9
10
3
2
8
11
12
1
13
Рис. 11.33. Гидравлическая схема управления блокировки
гидротрансформатора:
а — муфта блокировки разомкнута; б — муфта блокировки замкнута; 1 —
электромагнитный клапан регулятора давления; 2 — вал турбинного колеса;
3 — нажимной диск; 4 — турбинное колесо; 5 — ведомый диск муфты; 6 — насосное колесо; 7 — реактор; 8 — клапан системы смазки; 9 — обратный клапан;
10 — охладитель жидкости; 11 — распределительный клапан рабочей жидкости; 12 — регулятор давления в гидротрансформаторе; 13 — насос
Нажимной диск перемещается под давлением жидкости со стороны турбинного колеса 4, в результате чего муфта замыкается. Передаваемый муфтой крутящий момент изменяется в зависимости
от положения распределителя и регулятора давления в системе ее
управления. При этом момент, передаваемый муфтой, зависит от
тока управления электромагнитного клапана 1 регулятора давления — чем больше сила тока, тем больше момент.
Система охлаждения жидкости. Рабочая жидкость в АКП
может охлаждаться как в теплообменнике (охладителе), закрепленном непосредственно на картере коробки передач и подключенном
416
Глава 11. Трансмиссия
к системе охлаждения двигателя, так и с помощью обдуваемого
воздухом радиатора, установленного в передней части кузова перед радиатором системы охлаждения двигателя.
Электрогидравлическая система управления коробкой состоит из электрогидравлического модуля, электронного блока уп
равления, многофункционального датчика, селектора (рис. 11.34).
Муфты и тормоза (механизмы переключения передач) приводятся в действие гидроцилиндрами, управляемыми посредством
золотников-распределителей и электромагнитных клапанов, размещенных в распределительном модуле. Электромагнитные клапаны включаются блоком управления коробкой передач и управляют механизмами переключения передач и муфтой блокировки
3
4
2
7
6
5
1
8
Рис. 11.34. Электрогидравлическая система управления автоматической
коробкой передач:
1 — электромагнитные клапаны, регулирующие давление; 2 — электромагнитные клапаны переключения передач; 3 — электронный блок управления
автоматической коробкой передач; 4 — многофункциональный датчик; 5 —
селектор; 6 — валик переключения передач; 7 — место подключения датчика
рабочей жидкости; 8 — золотник-распределитель выбора диапазонов
11.4. Автоматические коробки передач
417
гидротрансформатора. Они также регулируют давление рабочей
жидкости (в главной магистрали, контурах управления, гидротрансформаторе и в системе смазки коробки передач).
В системе управления применяются электромагнитные клапаны двух типов: клапаны управления переключением передач и регулирующие давление клапаны (с широтно-импульсной модуляцией электропитания). Электромагнитные клапаны переключения
передач относятся к двухпозиционным устройствам управления,
которые могут быть только открытыми или только закрытыми.
Через них рабочая жидкость поступает под давлением к золотни
кам-распределителям, которые открывают или закрывают каналы
подвода рабочей жидкости к исполнительным устройствам механизмов переключения передач. Регулирующие клапаны открываются в соответствии с проходящим через их обмотки током, изменяя давление рабочей жидкости в магистрали.
Многофункциональный датчик соединен с рычагом селектора
посредством троса. Он вырабатывает электрические сигналы в соответствии с перемещениями рычага селектора и передает их на
блок управления автоматической коробкой передач.
В датчике имеются шесть скользящих контактов:
четыре контакта для определения позиции рычага селектора;
один контакт для разрешения пуска двигателя при положениях рычага селектора в позициях P и N;
один контакт для активизации выключателя ламп заднего
хода.
Для управления автоматическими коробками передач используются различные датчики, основными из которых являются датчики:
частоты вращения на входе коробки передач;
частоты вращения на выходе коробки передач;
температуры рабочей жидкости;
перехода на режим kik-down, посредством которого временно
повышается давление в управляющем контуре соответствующего
клапана переключения передач, что приводит к увеличению значения скорости переключения на повышающую очередную передачу. Активация функционирования данного датчика происходит
только при полностью выжатой педали газа;
датчик или микровыключатель системы Tiptronic.
418
Глава 11. Трансмиссия
2
Система Tiptronic служит для переклю- 1
чения передач от руки с помощью специальных лепестков, расположенных на рулевом колесе (рис. 11.35).
Переключение на высшую передачу
осуществляется нажатием лепестка (Tip+),
а на низшую — лепестка (Tip-). При воздействии на какой-либо из этих переключателей в процессе работы коробки передач
в автоматическом режиме она переводит- Рис. 11.35. Расположеся в режим ручного управления Tiptronic.
ние переключателей
Вырабатываемые переключателями сигнасистемы Tiptronic
на рулевом колесе:
лы непосредственно направляются в блок
управления автоматической коробкой пе- 1 — переключение на низшую передачу; 2 — перередач. Эти переключатели действуют па- ключение на высшую пераллельно с рычагом селектора, находяредачу
щимся в кулисе Tiptronic.
По истечении отсчитываемого таймером определенного промежутка времени после последнего использования переключателей коробка передач вновь переходит на режим автоматического
переключения передач.
При управлении автоматической коробкой передач имеется
несколько позиций рычага переключения.
В правом секторе рычаг может занимать следующие позиции:
Р (режим парковки);
R (задний ход);
N (нейтральная передача);
D (движение в режиме автоматического переключения передач);
S (спортивный режим).
При положении рычага в позиции D программа обеспечивает
различные алгоритмы переключения в соответствии с сопротивлением движения, нагрузкой, положением педали акселератора, дорожной ситуацией. Алгоритмы управления соответствуют движению в различных условиях:
движение с постоянной высокой скоростью;
городской режим движения;
горный режим движения;
11.4. Автоматические коробки передач
режим
419
буксировки;
на поворотах.
При положении рычага в позиции S блок управления сдвигает
режимы переключения всех передач в сторону большей частоты
вращения коленчатого вала. В результате этого возрастает интенсивность разгона автомобиля.
В автоматической коробке передач предусматриваются также
режимы «кик-даун», «фаст-офф» и «кик-фаст». При работе в режиме «кик-даун» резко нажимают на педаль подачи топлива до
упора, затем резко отпускают. При этом включается низшая передача, и при дальнейшем нажатии на педаль автомобиль разгоняется с максимальным ускорением. Когда будет достигнута нужная
скорость, опять включается высшая передача, например четвертая
после третьей. Режим «фаст-офф» при резком отпускании педали
не дает коробке включить высшую передачу, а оставляет ту, на которой осуществлялся разгон, что позволяет интенсивно тормозить
двигателем и легко держать дистанцию при движении с переменной скоростью. Режим «кик-фаст» определяет, нужно ли включать
понижающую передачу, и дает соответствующую команду задолго
до того, как будет достигнуто положение «кик-даун».
При перемещении рычага влево водитель переводит коробку
передач в режим ручного переключения. Движением рычага впе
ред-назад включается повышающая-понижающая передача. Такое
переключение передач принято называть секвентальным (последовательным). Электронный блок управления является адаптивным, он запоминает манеру вождения водителя и корректирует
алгоритмы автоматического переключения передач. Благодаря расширенному обмену данными между системой управления коробкой передач и другими системами автомобиля, например системой
управления двигателем и системой стабилизации ESP, используются данные, которые позволяют определить моментальное состояние движения и характер вождения с большей точностью.
Функциональная структура программы переключения автоматической коробки передач подразделяется на три группы (рис. 11.36):
определение характера вождения;
выбор программы переключения в зависимости от состояния движения;
выбор передач.
движение
420
Глава 11. Трансмиссия
Трогание
Переход на
спортивную
программу
SESP
Крутящий
момент
двигателя
Режим
Продольное
«кикдаун» ускорение
Поперечное
ускорение
Определение
характера
вождения
Определение
сопротивления
движению
Определение
коэффициента
сцепления колес
с дорогой
Круиз
кон
троль
Прогрев
Перегрев
Система ESP
(FDRASC)
Выбор программы
переключения
Управление переключением
передач
Рычаг
селек
тора
Режим
Tiptronic
Определение
быстрого
сброса
нагрузки
Распозна
вание
поворота
Внезап
ное тор
можение
Выбор передачи
Рис. 11.36. Функциональная структура программы переключения
автоматической коробки передач
11.4.2. Бесступенчатые коробки передач
Ступенчатые коробки передач имеют заложенный в них конструктивно недостаток: набор фиксированных передаточных чисел лишь усредненно может отражать весь спектр постоянно меняющихся внешних условий. Даже при простом прямолинейном
11.4. Автоматические коробки передач
421
разгоне по ровной дороге на каждой из ступеней двигателю сначала
приходится преодолевать внешнюю нагрузку (в данном примере —
силу инерции) и передача может оказаться более высокой, чем
нужно, а затем уже более низкой, чем требуется. «Точность» передач можно повышать, увеличивая количество ступеней в коробке,
что ограничено прежде всего физически. К тому же при этом от
«усредненности» избавиться все равно не удастся. Поэтому для
постоянного «попадания в нужный момент» передаточное число
должно не «скакать», а «плавать», для чего ступени из трансмиссии необходимо исключить.
Бесступенчатое изменение передаточного числа обеспечивает
гидротрансформатор. Но диапазон его работы довольно узок, и для
применения на автомобиле к нему приходится добавлять ступенчатую коробку передач.
Недостатков вышеперечисленных устройств лишен вариатор —
в основе своей механическая, а поэтому работающая с небольшими
потерями бесступенчатая трансмиссия с внешним управлением,
которое позволяет автоматически плавно изменять передаточное
число, выбирая наиболее оптимальное согласно внешней нагрузке
и частоте вращения коленчатого вала двигателя, тем самым давая
возможность максимально эффективно использовать его мощность.
В технике существует множество различных конструкций такого
типа, но на автомобиле получили распространение два вида вариаторов — клиноременный и тороидный.
Бесступенчатые передачи могут быть механическими (ременными или фрикционными), гидравлическими или электрическими.
Клиноременный вариатор состоит из нескольких (как правило,
одной-двух) ременных передач, где шкивы образованы коническими дисками, за счет сдвигания и раздвигания которых изменяются
диаметр шкивов и, соответственно, передаточное число (рис. 11.37).
Для трогания автомобиля с места используются обычное сцепление или небольшой гидротрансформатор, который вскоре после начала движения блокируется. Управляет дисками шкивов
электронная система, состоящая из сервоприводов, блока управления и датчиков.
Разные фирмы разработали свои конструкции клиноременного вариатора. Так, на Audi в трансмиссии Multitronic вместо ремня
применяют цепь, а Honda ставит набранный из металлических
пластин ремень, но принцип от этого не меняется.
422
Глава 11. Трансмиссия
2
3
1
5
4
Сужение
Расширение
Рис. 11.37. Принцип работы вариаторной передачи:
1 — ведущий привод; 2 — набор первичных аксиально перемещаемых дисков;
3 — набор вторичных аксиально перемещаемых дисков; 4 — ведомый привод;
5 — передающая цепь
Одной из первых вариаторных передач, нашедших практическое применение, была клиноременная передача на шведских автомобилях Volvo (рис. 11.38).
Вариатор на автомобиле Volvo установлен в трансмиссии между
главной передачей и ведущими колесами. Передаточное число
в вариаторе изменяется автоматически за счет изменения диаметров шкивов. Ведущая шестерня 1 главной передачи находится
423
11.4. Автоматические коробки передач
2
6
3
1
5
4
6
11
14
12
13
7
8
9
10
Рис. 11.38. Клиноременная передача:
1 — ведущая шестерня; 2, 5 — шестерни; 3 — вал; 4 — кулачковая муфта; 6 —
ведущий шкив вариатора; 7 — ремень; 8 — ведомый шкив; 9, 12, 14 — пружины;
10 — цилиндрическая передача; 11 — центробежный регулятор; 13 — цилиндр
в зацеплении с шестернями 2 и 5, свободно сидящими на валу 3.
Шестерни могут соединяться с валом через кулачковую муфту 4,
при включении левой шестерни автомобиль двигается вперед, правой — назад.
На обоих концах поперечного вала 3 закреплены ведущие шкивы 6 вариатора. Левая часть шкива закреплена на валу жестко,
правая может перемещаться вдоль оси вала. Подвижный правый
шкив соединен с грузиками центробежного регулятора 11 и с поршнем цилиндра, связанного с впускным трубопроводом двигателя.
424
Глава 11. Трансмиссия
Ведомый шкив 8 также состоит из двух частей, при этом правая
неподвижна на ведомом валу, а левая подвижна в осевом направлении и нагружена пружиной 9. Ведомый вал вариатора через редуктор связан с ведущими колесами автомобиля.
Работает вариатор следующим образом. При малой частоте
вращения коленчатого вала (начало трогания автомобиля) пружина 9 выжимает ремень на ведомом шкиве на больший радиус.
Вследствие малой частоты вращения и сдвинутых грузиков регулятора 11 половины ведущего шкива 6 раздвинуты за счет действия пружины 14, и ремень располагается на малом радиусе.
Передаточное число наибольшее. По мере разгона автомобиля
и увеличения частоты вращения вала 3 возрастает сила действия
центробежного регулятора, которая смещает подвижную часть
шкива и увеличивает его рабочий диаметр. Разрежение, создаваемое во впускном трубопроводе двигателя, передается в цилиндр 13,
связанный с подвижной частью шкива. При уменьшении нагрузки,
когда разрежение во впускном трубопроводе возрастает, рабочий
диаметр ведущего шкива увеличивается, уменьшая передаточное
число. Таким образом, передаточное число вариатора изменяется
автоматически в зависимости от скорости движения и нагрузки
двигателя.
Благодаря развитию электроники появились бесступенчатые
коробки передач с электронным управлением, представителем которых является коробка передач Audi для модели А6 2.8, оснащенной
двигателем мощностью 193 л.с. с крутящим моментом 280 Н ⋅ м.
Основными элементами бесступенчатой коробки передач автомобиля А6 2.8 (рис. 11.39) являются: механизм включения для начала движения (фрикционы с дисками в масле), ведущий и ведомый
шкивы с аксиально перемещаемыми дисками и стальной ремень,
предназначенный для передачи мощности; система электронногидравлического управления коробкой передач; узел движения задним ходом; главная передача с дифференциалом.
Вариатор состоит из ведущего и ведомого конических шкивов
с аксиально перемещаемыми дисками и передающей вращение
специальной цепи. На ведущий привод передается вращение от
двигателя через промежуточный передаточный механизм, ведомый привод передает крутящий момент на дифференциал. При
передаче движения цепь всегда натянута.
425
11.4. Автоматические коробки передач
1
3
2
4
9
8
7
6
5
Рис. 11.39. Схема бесступенчатой коробки передач автомобиля Audi:
1 — маховик с встроенным демпфером; 2 — фрикционы для движения задним
ходом; 3 — промежуточная передача; 4 — вариатор с цепью; 5 — электронный
блок управления коробкой; 6 — гидравлическое управляющее устройство;
7 — гидравлическая система передвижения вариаторов; 8 — фрикционы для
движения передним ходом; 9 — планетарный передаточный механизм
Для плавного трогания с места при включении передачи переднего и заднего хода служит многодисковое сцепление, включаемое с помощью гидравлики. Направление вращения меняется
с помощью шестерен планетарного механизма.
Для привода ведомого шкива применяется многорядная стальная цепь (рис. 11.40), при этом со шкивами контактируют не сегменты ремня, как было в прежних конструкциях, а скошенные
торцы соединительных осей звеньев. Чтобы исключить проскальзывание, скошенные торцы прижимаются сложной следящей гидравлической системой, которая создает в каждый момент необходимое давление от 20 до 60 кгс/см2. В результате износ штифтов
составляет лишь 0,2 мм за весь срок службы.
Цепь обеспечивает не только передачу значительной нагрузки,
но еще и изменение передаточного отношения в диапазоне от 1 : 2,1
до 1 : 12,7. Это позволило отказаться от гидротрансформатора, а значит, и от дополнительных потерь мощности.
426
Глава 11. Трансмиссия
а
Рис. 11.40. Вариаторная цепь:
б
2
1
а — вид сверху; б — вид сбоку; 1 —
соединительные оси; 2 — звенья
Управляет коробкой передач электронный блок управления.
Для принятия определенного решения в блок управления поступает информация от различных датчиков: частоты вращения коленчатого вала двигателя, частоты вращения входного передаточного механизма, положения педали подачи топлива, крутящего
момента двигателя, температуры масла в коробке передач.
Электронный блок управления способен распознать по характеру движения педали подачи топлива, какой режим предпочитает
водитель — экономичный или спортивный. В последнем случае
уже со скорости 60 км/ч вариатор включает режим «овердрайв»,
т.е. занижает передаточное отношение. При энергичном нажатии
педали подачи топлива включается спортивный режим. Блок управления реагирует включением пониженной передачи и на наличие
прицепа, начало крутого подъема, необходимость торможения двигателем. Программа блока управления позволяет работать коробке
передач в ручном режиме, когда из памяти извлекаются заранее
запрограммированные значения передаточного отношения. В этом
случае бесступенчатая коробка действует как шестиступенчатая
коробка передач с последовательным переключением.
Автомобиль Audi с бесступенчатой коробкой передач расходует
на 0,9 л/100 км меньше топлива, чем с традиционной автоматической коробкой, и на 0,2 л меньше, чем с механической пятиступенчатой коробкой передач. При этом разгон до 100 км/ч занимает
соответственно на 1,3 с и на 0,1 с меньше времени.
К бесступенчатым передачам относится и тороидный вариатор (рис. 11.41), применяемый в автомобилях японского производства Gloria и Skyline.
427
11.4. Автоматические коробки передач
а
б
3
1
2
3
Рис. 11.41. Схема тороидного вариатора:
а — высшая передача; б — низшая передача
Вариатор состоит из соосных дисков ведущего 1, ведомого 2
и промежуточных роликов 3, передающих момент от одного диска к другому. Передача крутящего момента обеспечивается силами
трения между рабочими поверхностями дисков и роликов. Для изменения передаточного числа меняются положение роликов и их
радиусы, по которым ролики обкатывают диски.
В зависимости от угла поворота ролика ведомый диск может
вращаться с той же скоростью, что и ведущий (если ролик горизонтален), с большей или меньшей скоростью (если ролик поворачивается).
Поскольку все усилие сосредоточено в пятне контакта, то для
поворота роликов должны использоваться особые устройства, способные преодолевать силу прижатия ролика к диску (до 3000 Н ⋅ м).
Возможность передачи таких усилий обеспечивается применением
высококачественных сталей, особых масел и специальной системой,
в которой управляемый электронным блоком управления прецизионный гидравлический механизм перемещает обоймы с роликами вверх или вниз на микроскопическую величину, а далее, из-за
возникшего сдвига относительно оси дисков, ролик поворачивается сам. Кроме того, чтобы разгрузить детали и уменьшить размеры
тороидной коробки передач, в ней работают два вариатора. При
использовании тороидного вариатора в трансмиссии автомобиля
так же, как и в случае клиноременного вариатора, необходимо обеспечить возможность получения заднего хода и отключения вариа-
428
Глава 11. Трансмиссия
тора от двигателя с помощью сцепления. Задний ход обеспечивает
планетарная передача, а для нейтральной передачи используется
гидротрансформатор.
Бесступенчатые коробки передач до сих пор не нашли широкого
применения из-за некоторых существенных недостатков по сравнению с механическими ступенчатыми коробками (размер, масса, диапазон преобразования, производственные расходы, КПД коробки
передач, компоновочные ограничения).
11.5. Полноприводная трансмиссия
11.5.1. Общие положения
Автомобили, у которых все колеса ведущие, называют полноприводными. Если крутящий момент передается на все колеса,
улучшается способность автомобиля двигаться в плохих дорожных условиях. Это послужило толчком к созданию огромного семейства внедорожных автомобилей, или автомобилей повышенной
проходимости. В некоторых странах легковые автомобили повышенной проходимости принято называть SUV (Sport Utility Vehicle —
автомобили для спорта) или RV (Recreational Vehicle — автомобили
для отдыха). Некоторые автомобили с приводом на четыре колеса
обозначают AWD (All Wheel Drive — все колеса ведущие) или AD
(4 Wheel Drive — привод на четыре колеса), а иногда просто 4x4.
В настоящее время выбор полноприводных автомобилей, предназначенных для движения по дорогам с усовершенствованным
покрытием, велик. Большинство мировых производителей легковых автомобилей в номенклатуре серийных автомобилей имеют
вариант с приводом на все колеса.
Трансмиссия полноприводного автомобиля конструктивно сложнее, дороже и тяжелее, чем автомобиля с двумя ведущими колесами. Кроме того, в такой трансмиссии выше механические потери.
Дополнительная масса и потери мощности снижают общие показатели и ухудшают топливную экономичность автомобиля. В то
же время сопротивление качению ведущих колес меньше, чем ведомых, что в некоторой степени (но не полностью) компенсирует
потери. Несмотря на недостатки полного привода, его достоинства
11.5. Полноприводная трансмиссия
429
часто являются более важными. Очевидно, что, помимо улучшения внедорожных свойств, полный привод мощного автомобиля
дает преимущества при движении по скользкой дороге и обеспечивает более интенсивный разгон. Влияние полного привода на
управляемость и устойчивость более сложное, но несомненно, что
он дает преимущество в устойчивости на скользких дорогах, а главное — обеспечивает более легкое управление автомобилем в критических ситуациях. На сухих дорожных покрытиях с высоким
сцеплением достоинства такого привода не столь очевидны.
Для автомобилей повышенной проходимости важно обеспечить не только хорошее сцепление колес с опорной поверхностью,
но и большой дорожный просвет, чтобы автомобиль не застрял на
неровностях дороги. Кроме того, внедорожные автомобили, как
правило, оборудуются трансмиссиями с понижающей передачей,
которая дает возможность увеличить крутящий момент, подводимый к ведущим колесам, и обеспечить уверенное движение на малых скоростях.
Легковые автомобили с приводом на четыре колеса могут иметь
или постоянный привод всех колес, или подключаемый ко всем
колесам при необходимости. Существуют конструкции полноприводных трансмиссий, в которых обеспечивается постоянный привод на передние (Toyota RAV4, Honda CRV и др.) или задние (Ford
Explorer, Nissan Terrano и др.) колеса, а привод на два других колеса включается при необходимости. Причем это включение может происходить автоматически в зависимости от условий движения или вручную по желанию водителя.
В любом автомобиле, имеющем привод на четыре колеса, независимо от расположения двигателя, необходимо разделить крутящий момент, получаемый на ведомом валу коробки передач, на два
и передать один к переднему мосту, а другой к заднему. Кроме того,
требуются две главные передачи: одна для привода передних колес,
другая — задних.
При движении автомобиля по криволинейной траектории каждое из четырех колес проходит различный путь. Следовательно,
каждое колесо совершает при повороте разное число оборотов. То же
происходит при прямолинейном движении автомобиля, если диаметры колес отличаются (различный износ шин, разное давление
в шинах). Как было показано выше, для уменьшения неизбежных
430
Глава 11. Трансмиссия
потерь при движении автомобиля необходимо применять дифференциал. Автомобиль с четырьмя ведущими колесами должен иметь
три дифференциала, по одному между колесами передней и задней
осей (межколесные дифференциалы) и один между осями автомобиля (межосевой дифференциал).
Полноприводные версии легковых автомобилей, которые не
предназначены для движения по бездорожью, имеют в своей основе стандартную версию легкового автомобиля. Некоторые легковые автомобили выпускаются только в полноприводном варианте
и не имеют аналогов с приводом на одну ось. Примером могут служить многие автомобили Subaru или автомобиль Jaguar типа X.
Наиболее просто переоборудовать в полноприводной вариант переднеприводной автомобиль с продольным расположением двигателя и коробки передач (большинство автомобилей Audi). В таком
варианте крутящий момент к задней оси поступает от коробки
передач через карданную передачу. Задняя ось дополняется главной передачей, а межосевой дифференциал устанавливается в картере коробки передач.
Если базовый автомобиль имеет привод только на задние колеса, а двигатель расположен спереди, при его переоборудовании
в полноприводной вариант не обойтись без раздаточной коробки
с межосевым дифференциалом, которая может быть объединена
с коробкой передач.
Переднеприводные автомобили с поперечным расположением
двигателя переделать в полноприводной вариант гораздо труднее.
Обычно картер главной передачи располагают за двигателем и используют карданную передачу, соединяющую переднюю главную
передачу с дополнительной главной передачей задней оси.
Для любого автомобиля с четырьмя ведущими колесами важно
обеспечить движение автомобиля при потере сцепления с дорогой
одного из колес.
При буксовании одного из колес дифференциал передает на
другое крутящий момент, недостаточный для движения. Если автомобиль имеет привод на четыре колеса и три дифференциала, то достаточно попасть одним колесом на скользкую поверхность, чтобы
лишить автомобиль способности тронуться с места. Существуют
различные способы борьбы с этим нежелательным свойством.
11.5. Полноприводная трансмиссия
431
Один из таких способов — блокировка дифференциала. При
заблокированном дифференциале крутящий момент, подводимый
к колесам с лучшим сцеплением, увеличивается. Необходимо учитывать, что, если вся величина крутящего момента передается
в одном направлении, карданный вал и полуоси должны быть более прочными, чтобы исключить возможность их поломки. Внедорожные автомобили, работающие в сложных условиях, могут
иметь устройства, блокирующие как межосевой, так и задний межколесный дифференциал. Блокировка дифференциала передней
оси обычно не предусматривается из-за негативного воздействия
на управляемость автомобиля.
Другим распространенным способом улучшения характеристик
трансмиссий современных полноприводных автомобилей является
применение различных устройств повышенного трения, применяющихся в качестве межосевых и задних дифференциалов. Самый
простой способ заключается в создании дополнительного трения
при проскальзывании деталей в дифференциале. Здесь, однако, требуется ограничить величину проскальзывания таким образом, чтобы
оно не оказывало чрезмерного влияния на возможность движения
колес автомобиля с небольшой разницей в угловых скоростях при
обычном повороте. Таким образом, дифференциалы повышенного
трения должны быть такими, чтобы передавать только часть крутящего момента на колесо с хорошим сцеплением.
Следует помнить, что любой дифференциал повышенного трения, независимо от места его расположения (в раздаточной коробке или ведущих мостах), отнимает часть механической энергии,
переводя ее в тепло, а значит, увеличивает расход топлива. Повышается также изнашивание шин и трансмиссии в целом. Гораздо
лучше, если дифференциал сможет «почувствовать» момент начала проскальзывания колеса и сумеет перераспределить крутящий момент на отстающее колесо. Другими словами, желательно
использовать самоблокирующийся дифференциал.
11.5.2. Муфта Haldex
Муфта Haldex первого — третьего поколения. Муфты Haldex
первого, второго и третьего поколения, которые принципиально
не отличаются друг от друга, широко используются концерном
432
Глава 11. Трансмиссия
Volkswagen для автомобилей класса А (Volkswagen Golf, Bora, Audi
TT, Skoda Oktavia, Seat Toledo и т.д.). С одной стороны, она предлагает преимущества постоянного привода на все колеса, с другой — может комбинироваться с такими системами, предотвращающими пробуксовку колес, как ABS, EDS, ASR, EBV и ESP.
По сравнению с традиционными системами постоянного привода система 4 motion имеет ряд преимуществ: автомобиль сохраняет характеристику переднеприводного, время срабатывания
муфты очень мало, различные размеры шин (аварийное колесо) не
вызывают никаких проблем, заклинивания в приводе при парковке
или маневрировании больше не происходит. Конструктивно муфта
Haldex устанавливается в том же месте, где раньше располагалась
вязкостная муфта, а именно — непосредственно на заднем мосту
(рис. 11.42). Вместе со всеми компонентами, включая блок управления, это компактный узел, который приводится в действие от
карданного вала.
Механическая часть муфты Haldex состоит из цилиндрического входного вала с аксиально-поршневым насосом и рабочим
поршнем, ведомого вала с приводной головкой и дисковым кулач-
2
3
4
7
1
6
5
Рис. 11.42. Общая компоновка автомобиля с муфтой Haldex:
1 — коробка передач; угловая передача; 2 — двигатель; 3 –карданный вал; 4 —
задний дифференциал; 5 — муфта Haldex; 6 — передний дифференциал; 7 —
привод колес
433
11.5. Полноприводная трансмиссия
4
3
5
2
1
6
7
8
Рис. 11.43. Схема муфты Haldex:
1 — ведомый вал с кулачковой шайбой; 2 — рабочий поршень; 3 — многодисковая муфта; 4 — насосный поршень; 5 — нагнетательный клапан; 6 — впускной клапан; 7 — регулятор давления управления муфтой; 8 — ведущий вал
ком, а также набора фрикционных дисков (рис. 11.43). Наружные
диски соединены с ведущим валом, а внутренние диски через продольное зубчатое зацепление с ведомым валом.
При пробуксовке одного из колес автомобиля возникает разница в частоте вращения между ведомым и ведущим валами, и на
насосный поршень направляется то выступающая, то опускающаяся часть кулачковой шайбы (рис. 11.44, а, б).
В результате возвратно-поступательного движения поршня давление масла в канале, через который оно подводится к рабочему
(ведомому) поршню гидравлической системы, повышается. Под
а
б
в
г
Рис. 11.44. Принцип работы муфты Haldex:
а — перемещение насосного поршня; б — начало перемещения рабочего поршня;
в — начало сжатия фрикционных дисков; г — полное сжатие фрикционных
дисков
434
Глава 11. Трансмиссия
действием давления масла рабочий поршень перемещается вправо, сжимая пакет фрикционных дисков (рис. 11.44, в). В результате сжатия пакета дисков ведущий вал муфты соединяется с ведомым валом (рис. 11.44, г). Таким образом осуществляется привод
на все колеса автомобиля с передачей крутящего момента на задние колеса.
Гидравлическая часть муфты Haldex (рис. 11.45) состоит из электрического подпиточного насоса 9, масляного фильтра 10, впускных 11 и нагнетательных 3 клапанов, регулятора 5 давления с регулировочным клапаном, предохранительного клапана 4 и гидроаккумулятора 6. Для того чтобы система могла быстро срабатывать,
подпиточный насос, начиная с частоты вращения 400 об/мин, нагнетает в гидравлической системе муфты давление подпитки
4
3
2
5
1
11
10
14
13
6
12
9
8
7
Рис. 11.45. Гидравлическая часть муфты Haldex
первого — третьего поколения:
1 — кулачковая шайба; 2 — толкающие ролики насосных поршней; 3 — нагнетательные клапаны; 4 — предохранительный клапан; 5 — регулятор давления
управления муфтой; 6 — гидроаккумулятор; 7 — резервуар рабочей жидкости;
8 — сетчатый масляный фильтр; 9 — электронасос; 10 — фильтр; 11 — впускные
клапаны; 12 — насосные поршни; 13 — рабочий поршень; 14 — пакет дисков
11.5. Полноприводная трансмиссия
435
4 кгс/см2, которое поддерживается гидроаккумулятором и воздействует как на поршень насоса, так и на рабочий поршень. Преимуществом такой компоновки является то, что, с одной стороны, поршень насоса прилегает к дисковому кулачку, а с другой — благодаря
легкому давлению подпора устраняется зазор из набора фрикционных дисков.
Гидроаккумулятор наряду с поддержанием давления подпитки
выполняет еще одну задачу — выравнивание колебания давления
в системе. При отсутствии давления в питающей магистрали пружина аккумулятора максимально разжата и масло через аккумулятор из питающей магистрали не сбрасывается. Повышение давления в питающей магистрали ограничивается на заданном уровне
за счет перепуска масла из нее через аккумулятор в резервуар для
его сбора. При понижении давления пружина аккумулятора разжимается, уменьшая или
полностью прекращая сброс масла в емкость.
Предохранительный клапан предотвра1
щает подъем управляющего давления свыше
100 кгс/см2, защищая детали муфты от перегрузок. Клапан открывается, если действую2
щее на его запорный орган давление преодолевает усилие предварительно сжатой пружины. При повышении давления до 100 кгс/см2
3
клапан открывается, перепуская масло в питающую магистраль и в резервуар через гидроаккумулятор, в результате чего давление
4
масла в системе снижается до заданного
уровня.
Основной элемент гидравлики — регу5
лировочный клапан регулятора давления
(рис. 11.46) — определяет величину давления на диски и управляется от исполнитель- Рис. 11.46. Регулироного двигателя, который, в свою очередь,
вочный клапан:
1 — сливное отверстие;
работает по сигналам блока управления.
Когда регулировочный клапан закрыт 2 — регулировочный
клапан; 3 — регулиро(рис. 11.47, а), то при разнице в частоте вравочный штифт; 4 —
щения между входным и выходным валами приводной двигатель;
создается рабочее давление, величина кото5 — зубчатое колесо
436
Глава 11. Трансмиссия
а
б
в
Рис. 11.47. Работа регулировочного клапана:
а — клапан закрыт; б — клапан открыт частично;
в — клапан открыт полностью
рого ограничивается предохранительным клапаном. Крутящий
момент через муфту передается на задний мост.
При частично открытом регулировочном клапане (рис. 11.47, б)
муфта допускает определенное проскальзывание, т.е. крутящий момент на задние колеса передается лишь частично. Когда регулировочный клапан открыт полностью (рис. 11.47, в), рабочее давление
создаваться не может и крутящий момент через муфту не передается. Однако давление понижается не полностью, а благодаря гидроаккумулятору — частично, до уровня давления подпитки.
Блок управления через шину данных (CAN–Bus) получает от
ABS информацию о частоте вращения колес, продольном ускорении,
сигнале торможения и включении ручного тормоза. Если автомобиль дополнительно оснащен ESP, то регулировка ESP имеет преимущественное право перед функцией привода всех колес. Блок
управления двигателя также через CAN–Bus выдает информацию
о частоте вращения двигателя и положении педали акселератора.
Наряду с входными сигналами через CAN–Bus блок управления
Haldex получает также дополнительные сигналы непосредственно
от выключателя сигнала торможения ручного тормоза (муфта размыкается при включенном ручном тормозе) и от датчика температуры муфты. Чтобы предотвратить перегрев, функции муфты отключаются при температуре масла свыше 100 °С.
Выходные сигналы блока управления муфты — это напряжение питания для масляного насоса и возбуждение исполнительного
двигателя регулировочного клапана. Блок управления имеет функцию самодиагностики. Если отсутствует какой-либо сигнал, блок
управления рассчитывает резервное его значение для включения
аварийного функционирования.
437
11.5. Полноприводная трансмиссия
Муфта Haldex четвертого поколения. Первым автомобилем
концерна Volkswagen, на который устанавливается муфта Haldex
полного привода четвертого поколения (рис. 11.48), стал Tiguan.
Главным отличием этой муфты является замена механического
насоса электрическим 12, управляемым ЭБУ 11. Управление новой
муфтой привода — электронное, что позволяет передавать необходимый крутящий момент на колеса автомобиля независимо от наличия их пробуксовки. Распределение крутящего момента по осям
автомобиля варьируется в зависимости от дорожной ситуации. ЭБУ
учитывает не только пробуксовку колес, но и условия движения —
2
5
1
3
4
6
7
8
16
9
10
11
15 14
18
13
12
17
Рис. 11.48. Гидравлическая часть муфты Haldex четвертого поколения:
1 — выходной вал; 2 — поршень; 3 — тарельчатая пружина; 4 — входной вал;
5 — игла; 6 — клапан управления замыкания муфты; 7 — золотник; 8 — сердечник золотника; 9 — катушка; 10 — обратная магистраль; 11 — электронный
блок управления; 12 — электронасос; 13 — сетчатый масляный фильтр грубой
очистки; 14 — масляный фильтр тонкой очистки; 15 — нагнетающий поршень;
16 — гидроаккумулятор; 17 — резервуар рабочей жидкости; 18 — пакет фрикционных дисков
438
Глава 11. Трансмиссия
движение на повороте, скорость автомобиля, а также движение на
режиме принудительного холостого хода или в тяговом режиме.
Муфта полного привода четвертого поколения и предыдущие модели муфты Haldex имеют одинаковый принцип действия — передача крутящего момента с помощью пакета фрикционных дисков.
В муфте четвертого поколения отпала необходимость во множестве клапанов, остался, по сути, один — клапан управления замыкания муфты 6, регулирующий рабочее давление. Управляя им,
электронная система определяет необходимое усилие, с которым
привод сжимает пакет дисков.
Насос муфты Haldex (рис. 11.49) аксиально-поршневой, установлен в нижней части муфты полного привода.
Насос заполняет аккумулятор давления гидросистемы и создает давление в гидросистеме муфты. Работа насоса регулируется
блоком управления в зависимости от требуемого давления. В каждом отверстии блока цилиндров 1 насоса размещены поршень 3,
направляющий стержень 4 и возвратная пружина 5. С помощью
наклонной (так называемой «косой») шайбы 2 с шариковым подшипником поршню и направляющему стержню при вращении блока
а
б
1
2
7
3
4
6
5
Рис. 11.49. Схема работы насоса муфты Haldex четвертого поколения:
а — всасывание; б — нагнетание; 1 — блок цилиндров насоса; 2 — наклонная
шайба с шариковым подшипником; 3 — поршень; 4 — направляющий стержень; 5 — возвратная пружина; 6 — вход рабочей жидкости от масляного бака;
7 — подача рабочей жидкости к аккумулятору давления
11.5. Полноприводная трансмиссия
439
цилиндров насоса сообщается возвратно-поступательное движение, которое приводит к всасыванию (забору) масла в нижнем положении цилиндра (рис. 11.49, а) и подаче масла под давлением
(рис. 11.49, б) в верхнем положении цилиндра (после поворота цилиндра на 180°).
Гидроаккумулятор 16 (см. рис. 11.48), установленный в верхней части муфты, выполнен очень компактным благодаря использованию трех соосных пружин сжатия. Сила сжатия пружин позволяет аккумулятору поддерживать давление масла в гидросистеме
на уровне 30 кгс/см2. Если в гидросистеме нет давления, пружины
аккумулятора давления разгружены (не сжаты). При нагнетании
рабочей жидкости насосом давление в системе повышается, вследствие этого нагнетающий поршень передвигается влево и пружины нагружаются (сжимаются). Если давление масла превысит
30 кгс/см2, тогда поршень смещается внутрь настолько, что открываются сливные каналы. Часть масла направляется по обратной
магистрали в масляный бак, при этом происходит снижение давления в системе.
Клапан управления замыкания муфты 6 (см. рис. 11.48) регулирует давление в цилиндре поршня фрикционной муфты. Давление
масла возрастает пропорционально силе тока управления, подаваемого на клапан. Каждому значению силы тока управления, подаваемого на клапан, соответствует определенное значение давления масла. При подаче тока на катушку электромагнита возникает
усилие электромагнита, величина которого зависит от силы тока.
Усилие электромагнита толкает золотник 7 вверх, он открывает
канал, задавая таким образом рабочее давление в полости поршня 2
фрикционной муфты.
При достижении требуемой величины рабочего давления устанавливается описываемое ниже равновесие сил, при этом канал
для перетекания масла закрывается. Таким образом, рабочее давление поддерживается на постоянном уровне. Рабочее давление
воздействует на утолщение золотника и на стенки регулировочной
камеры золотника. Сила от давления масла на стенки регулировочной камеры действует в том же направлении, что и сила сопротивления пружины сжатию. Усилие электромагнита направлено
в противоположном направлении. Устанавливается равновесие сил.
При подаче максимального значения тока управления на катушку
440
Глава 11. Трансмиссия
электромагнита расположенный снизу канал для подвода масла от
аккумулятора давления остается постоянно открытым, при этом
рабочее давление в полости утолщения золотника сравнивается
с давлением в питающей магистрали. Для размыкания муфты прерывают подачу тока на катушку 9 электромагнита, управляющий
золотник возвращается в исходное положение, масло сливается
в магистраль к масляному баку, и рабочее давление падает.
Поршень 2 имеет форму кольца. При замыкании муфты усилие, приложенное к невращающемуся поршню, передается через
игольчатый подшипник на пакет фрикционных дисков. Пакет замкнутых фрикционных дисков вращается с частотой вращения вала
привода.
Тарельчатая пружина 3 находится в масляной полости цилиндра поршня и подпирает поршень к пакету фрикционных дисков.
Таким образом выбирается зазор между пакетом фрикционных
дисков и игольчатым подшипником.
11.5.3. Вискомуфта
Вискомуфта получила свое название от латинского viscosus —
вязкий. Основными элементами вискомуфты (рис. 11.50) являются:
корпус 6 и валы 1 и 5, герметизированные с помощью уплотнений;
диски 4, соединенные шлицами с корпусом, диски 3, соединенные
4
5
3
2
6
1
Рис. 11.50. Вискомуфта:
1 — ведомый вал; 2 — втулка; 3 — диски, соединенные с ведомым валом; 4 —
диски, соединенные с корпусом; 5 — ведущий вал; 6 — корпус
11.5. Полноприводная трансмиссия
441
с ведомым валом (диски имеют каналы и отверстия для увеличения вязкости трения жидкости); силиконовая (кремнийорганическая) жидкость, которая обладает высокой вязкостью и заполняет
корпус на 80...90 %.
Вискомуфта передает подводимый к ней крутящий момент за
счет внутреннего трения в жидкости, находящейся между дисками. При одинаковых скоростях вращения дисков муфта передает
небольшую часть усилия (5...7 %). При отставании ведомых дисков от ведущих жидкость перемешивается, температура и вязкость
ее растут, она расширяется и сжимает воздух. Когда воздух почти
полностью сжат, давление в муфте резко возрастает, что вызывает
осевое перемещение дисков по шлицам до их механического контакта. В результате этого ведущий и ведомый валы вращаются за
счет механического трения. При равной скорости вращения дисков температура и соответственно давление жидкости постепенно
снижаются и они выходят из механического контакта. Передаваемый момент зависит от характеристик муфты и разности скоростей вращения ее валов.
Вискомуфта может устанавливаться как самостоятельный узел
между ведущими осями или «встраиваться» в конический дифференциал. Основным недостатком вискомуфты является ее несовместимость с ABS.
Вискомуфта не пригодна к ремонту, так как количество и вязкость жидкости определяют ее характеристики и строго контролируются при ее изготовлении. При утечке части жидкости муфта
подлежит замене.
10.5.4. Дифференциал Torsen
Дифференциал Torsen (TORque SENsing — чувствующий крутящий момент) представляет собой механический самоблокирующийся дифференциал, в котором используется сложный набор червячных шестерен (рис. 11.51).
На полый приводной вал 2 корпуса дифференциала передается
крутящий момент от коленчатого вала через элементы трансмиссии. На общей оси сателлитов расположены прямозубые шестерни 5 и червячные сателлиты 6.
442
Глава 11. Трансмиссия
5
6
7
1 2
8
4
4
3
8
Рис. 11.51. Межосевой дифференциал Torsen:
1 — корпус дифференциала; 2 — полый приводной вал корпуса дифференциала; 3 — вал привода передней оси; 4 — вал привода задней оси; 5 — прямозубые шестерни; 6 — червячные шестерни-сателлиты; 7 — червячная шестерня привода передней оси; 8 — червячная шестерня привода задней оси
Набор шестерен внутри дифференциала состоит из ведомых
червячных шестерен привода передней 7, задней 8 оси и ведущих
(сателлитов) червячных шестерен 6. Основной особенностью такой конструкции является то, что червячные шестерни способны
приводить во вращение другие шестерни, но сами не способны
приводиться во вращение. Это обусловливает появление некоторой степени блокирования дифференциала.
При вращении приводного вала вращается и корпус дифференциала, толкая оси сателлитов. При движении по асфальту дифференциал Torsen распределяет крутящий момент между осями
поровну. При низких значениях входного крутящего момента, передаваемого от коленчатого вала (движение по асфальту), шестерни
дифференциала вращаются свободно и его действие напоминает
работу обычного симметричного дифференциала. Когда входной
крутящий момент увеличивается (колеса одной оси начинают проскальзывать), набор червячных шестерен нагружается и в определенный момент два выходных вала привода передней и задней оси
блокируются. Но стоит только колесам одной оси начать проскальзывать, крутящий момент перебрасывается на ту ось, колеса
которой имеют лучшее сцепление с покрытием.
В зависимости от величины передаточного числа и конструкции дифференциала крутящий момент может распределяться по
443
11.5. Полноприводная трансмиссия
осям автомобиля в соотношении от 60 : 40 % до 84 : 16 % или даже
до 86 : 14 %, а также распределяться в любых промежуточных значениях.
Дифференциал Torsen имеет линейную характеристику, крутящий момент перераспределяется практически мгновенно и не оказывает влияния на процесс торможения, в отличие от вязкостной
муфты, где на разогрев и застывание силиконового вещества требуется некоторое время. Эти свойства механизма обусловили его
широкое использование в качестве межколесных и межосевых дифференциалов автомобилей. Основным недостатком дифференциала
Torsen является сложность изготовления и сборки и, как следствие,
высокая стоимость.
11.5.5. Самоблокирующиеся дифференциалы
Самоблокирующийся межосевой дифференциал с раздаточной коробкой. Раздаточная коробка 2, устанавливаемая после коробки передач 3 (рис. 11.52), представляет собой самоблокирующийся межосевой дифференциал, который распределяет крутящий
момент между осями в зависимости от сцепления колес передней
и задней оси с дорогой и выравнивает скорости вращения осей,
3
2
1
5
4
6
Рис. 11.52. Компоновка раздаточной коробки в трансмиссии
(на примере Touareg):
1 — задний дифференциал; 2 — раздаточная коробка; 3 — коробка передач;
4 — передний дифференциал; 5 — передний карданный вал; 6 — задний карданный вал
444
Глава 11. Трансмиссия
не допуская пробуксовывания одной из них. При этом дифференциал может быть механическим и с электронным управлением.
Ниже рассматривается дифференциал с механической блокировкой передней оси и с электронной блокировкой задней оси.
Раздаточная коробка (рис. 11.53) крепится непосредственно
к фланцу АКП. Различная длина картера компенсирует разную
конструктивную длину силового агрегата. Полый входной вал 6
передает крутящий момент в раздаточную коробку. Самоблокирующийся дифференциал 5 распределяет крутящий момент между
передней и задней осями и выравнивает их скорости вращения, не
допуская пробуксовки одной из осей.
Крутящий момент для задней оси передается из раздаточной
коробки через выходной вал 2, соосный с входным валом 6 («встав1
2
3
6
5
4
Рис. 11.53. Раздаточная коробка с самоблокирующимся дифференциалом:
1 — длина картера; 2 — выходной вал задней оси; 3 — цепная передача; 4 —
выходной вал передней оси; 5 — самоблокирующийся межосевой дифференциал; 6 — полый входной вал
445
11.5. Полноприводная трансмиссия
ленный» во входной вал). Крутящий момент для передней оси
передается на верхнюю звездочку цепной передачи 3, сидящую на
выходном валу 4 передней оси.
Конструкция самоблокирующегося межосевого дифференциала
(рис. 11.54) аналогична конструкции обычного планетарного ряда
с водилом 4, косозубыми сателлитами 6, косозубой солнечной 5
и косозубой коронной 2 шестернями. Дополнительно в конструкцию межосевого дифференциала введены фрикционные диски 7
из никелированной стали. Эти диски и рабочее масло определяют
возникающие моменты трения и тем самым коэффициент блокировки дифференциала. Моменты трения создаются в результате
возникновения в зубчатых парах с косыми зубьями осевых усилий, прижимающих солнечную и коронную шестерни к фрикционным дискам.
Учитывая то, что шестерни дифференциала имеют косые зубья
определенного профиля, под действием крутящего момента на шестернях возникает осевая сила, воздействующая на различные
фрикционные диски и сжимающая их, создавая в дисках определенный момент трения. Этот момент трения, в свою очередь, обусловливает требуемый момент блокировки.
4
3
5
2
1
6
7
Рис. 11.54. Планетарный механизм:
1 — полый входной вал; 2 — коронная шестерня; 3 — корпус; 4 — водило; 5 —
солнечная шестерня; 6 — сателлит; 7 — фрикционные диски
446
Глава 11. Трансмиссия
Крутящий момент от двигателя при нормальном режиме работы (без пробуксовки) передается через межосевой дифференциал
на переднюю и заднюю оси в отношении 40 : 60 (асимметрично).
Это достигается благодаря различным диаметрам солнечной (привод передней оси) и коронной (привод задней оси) шестерен.
Выходной момент раздаточной коробки может распределяться
между передней и задней осями в разных соотношениях в пределах диапазонов блокировки дифференциала. Диапазон блокировки
для передней оси составляет 20...60 % входного момента коробки.
Диапазон блокировки для задней оси составляет 40...80 % входного момента коробки. За пределами диапазона блокировки заднего
дифференциала включается электронная блокировка дифференциала.
Для блокировки межосевого дифференциала может применяться электромеханический привод, аналогичный по принципу действия описанному ниже заднему межколесному дифференциалу.
Блокировка заднего межколесного дифференциала (рис. 11.55)
имеет электромеханический привод. Электродвигатель 3 через зубчатую понижающую передачу воздействует на сегмент с внешним
зубчатым зацеплением.
2
1
3
Рис. 11.55. Редуктор задней оси с межколесным дифференциалом:
1 — межколесный дифференциал; 2 — муфта межколесной (поперечной) блокировки; 3 — электродвигатель
447
11.5. Полноприводная трансмиссия
Блокировка межосевого дифференциала осуществляется посредством многодисковой фрикционной муфты с приводом от
электродвигателя. Электродвигатель поворачивает эксцентрик,
который через рычаг поджимает нажимной диск. Этот диск, в свою
очередь, сжимает пакет ламелей.
Механизм блокировки имеет зубчатый сегмент 6 (рис. 11.56),
в котором предусмотрена продолговатая канавка для шариков, которая на одной стороне глубже, чем на другой. Это можно представить в виде наклонной рампы. В сопряженном с зубчатом сегментом подпятнике 5, удерживаемом картером редуктора, также
находится продолговатая канавка для шариков. Между сегментом
и подпятником располагается шайба 9 с отверстиями, в которых
находятся шарики. При повороте зубчатого сектора подпятник
перемещается в осевом направлении, что создает давление на шесть
нажимных пальцев. Пальцы воздействуют на нажимное кольцо 4
многодисковой фрикционной муфты, которая блокирует дифференциал. При обесточивании дифференциала его блокировка под
действием пружин 1 выключается.
4
3
5
2
7
6
1
10
9
8
Рис. 11.56. Внутренние составляющие заднего межколесного
дифференциала:
1 — пружина; 2 — нажимной палец; 3 — многодисковая фрикционная муфта;
4 — нажимное кольцо; 5 — подпятник с канавкой под шарики; 6 — зубчатый
сегмент с канавкой под шарики; 7 — понижающая зубчатая передача; 8 — электродвигатель; 9 — шайба; 10 — шарики
448
Глава 11. Трансмиссия
Действие блокировок дифференциала определяется частотой
вращения и нагрузкой двигателя, углом поворота управляемых
колес, положением педали акселератора и скоростью колес. В соответствии с этими параметрами регулируется посредством электромеханического привода осевое давление на многодисковую
фрикционную муфту, что обеспечивает передачу рассчитанных
электронным блоком управления крутящих моментов в необходимом соотношении. Поскольку задающие параметры все время
меняются, также постоянно изменяются величины передаваемых
крутящих моментов.
Самоблокирующийся дифференциал с торцевым зацеплением. Дифференциал с торцевым зацеплением (рис. 11.57) относится
к категории самоблокирующихся центральных дифференциалов
с динамично-асимметрическим распределением крутящего момента. Его применение позволяет более полно использовать потенциал
7
3
6
4
5
2
1
9
12
8
10
11
Рис. 11.57. Самоблокирующийся дифференциал с торцевым зацеплением:
1 — выходной вал дифференциала (соединяется с валом привода задней оси);
2 — многодисковая фрикционная муфта стороны задней оси; 3 — шестерня
с торцевым зацеплением (привод задней оси); 4 — шестерня с зубчатым зацеплением (привод передней оси); 5 — двухдисковая фрикционная муфта стороны передней оси; 6 — выходной вал дифференциала с шестерней (передача
момента через боковой вал к главной передаче передней оси); 7 — шестерня
выходного вала коробки передач; 8 — выходной вал коробки передач (вводит
крутящий момент в дифференциал с торцевым зацеплением); 9, 11 — блокирующие кольца; 10 — сателлит; 12 — корпус дифференциала
11.5. Полноприводная трансмиссия
449
сцепления колес с дорогой по сравнению с электронными системами, использующими подтормаживание колес.
Базовое распределение крутящего момента составляет 60 % на
задние колеса и 40 % на передние. В динамическом рабочем диапазоне (динамично-асимметрическое распределение) до 85 % может передаваться на задние колеса и до 70 % на передние.
Принципиальная схема самоблокирующегося межосевого дифференциала с торцевым зацеплением аналогична схеме обычного
межколесного дифференциала — с той разницей, что в качестве
шестерен выходных валов (привода передней и задней осей) используются две торцевые шестерни 3 и 4, крутящий момент на
которые передается четырьмя цилиндрическими сателлитами 10.
Оси цилиндрических сателлитов вращаются в подшипниках, установленных в коробке дифференциала.
С тыльной стороны каждой из торцевых шестерен установлены фрикционные муфты 2 и 5, причем торцевые шестерни опираются каждая на свою муфту. Фрикционные муфты служат для
требуемого блокирования шестерен дифференциала.
Выступы внутренних фрикционных дисков обеих муфт входят
в пазы торцевых шестерен, выступы наружных дисков — в пазы
коробки дифференциала. Резьбовые кольца 9 и 11 служат опорами
фрикционных муфт и закрывают с обоих торцов коробку дифференциала.
Крутящий момент от коробки передач вводится в коробку дифференциала через выходной вал 8 и шлицевое соединение. Четыре
крестообразно расположенные оси передают момент на сателлиты,
которые, в свою очередь, передают его на обе торцевые шестерни.
При этом шестерня 4 передает момент дальше к передней оси,
а шестерня 3 — к задней.
Особенностью конструкции является то, что зубчатые зацепления двух торцевых шестерен имеют разный делительный диаметр
(под делительным диаметром понимается диаметр делительной
окружности или «рабочий» диаметр зубчатого колеса) (рис. 11.58).
Вследствие различных делительных диаметров торцевых шестерен (количество зубьев) крутящий момент распределяется по
осям не поровну. Соотношение распределения момента по осям,
задаваемое самой геометрией зубчатого зацепления, называется
асимметричным базовым распределением крутящего момента.
450
Глава 11. Трансмиссия
2
1
7
3
4
6
5
Рис. 11.58. Торцевые шестерни:
1 — больший делительный диаметр торцевой шестерни; 2 — место контакта
зубьев торцевой шестерни задней оси; 3 — место контакта зубьев торцевой
шестерни передней оси; 4 — меньший делительный диаметр торцевой шестерни привода передней оси; 5 — меньшее плечо рычага (меньший момент) привода передней оси; 6 — сателлит; 7 — большее плечо рычага (больший момент) привода задней оси
Различные делительные диаметры означают различное плечо
рычага в каждом из зацеплений, в результате входящий в дифференциал крутящий момент передается на оси в соотношении 60 : 40.
Это означает, что примерно 60 % общего крутящего момента направляется на заднюю ось и 40 % — на переднюю. Базовое распределение момента действует всегда и во всех режимах, и динамическое распределение «накладывается» на него. Оба эффекта вместе
дают динамично-асимметрическое распределение крутящего момента.
Помимо исходного базового асимметричного распределения
крутящего момента в соотношении 60 : 40 в дифференциале дополнительно создается блокирующий момент, пропорциональный приводному моменту. Сочетание блокирующего момента с базовым
распределением момента дает в результате окончательное распределение крутящего момента по осям.
Принцип действия дифференциала заключается в следующем.
Как только в дифференциал подается крутящий момент, между
сателлитами и торцевыми шестернями, вследствие особой формы
зубьев шестерен, возникают осевые силы. Неподвижные в осевом
11.5. Полноприводная трансмиссия
451
направлении сателлиты давят на лежащие по обе стороны от них
торцевые шестерни. Торцевые шестерни разжимаются (в осевом
направлении) и сжимают диски соответствующих фрикционных
муфт. Тем самым возникает фрикционный момент, зависящий от
величины осевых усилий, блокирующий торцевые шестерни относительно коробки дифференциала.
Это означает, что фрикционная муфта будет предварительно
сжата в соответствии с входящим крутящим моментом, чем создается соответствующее блокирующее действие, определяемое через
коэффициент блокировки. Коэффициент блокировки показывает
различие между выходными крутящими моментами для обеих осей,
создаваемое за счет блокирующего действия дифференциала.
Дифференциал с торцевым зацеплением блокируется еще до
того, как станет ощущаться различное сцепление с дорогой колес
передней и задней оси. Когда колеса одной оси утрачивают сцепление с дорогой, крутящий момент перенаправляется на другую
ось в границах диапазона блокировки и потенциала сцепления
с дорогой колес другой оси.
Если колеса передней оси начинают терять сцепление с дорогой (хотя критически низкое значение сцепления с дорогой еще не
достигнуто), дифференциал может передавать на заднюю ось до
85 % крутящего момента.
При потере сцепления с дорогой колес задней оси до достижения
критически низкого значения сцепления с дорогой дифференциал
может передавать на переднюю ось до 70 % крутящего момента.
Если все же начинается пробуксовка колес после распределения крутящего момента, включается система ESP, создающая соответствующий момент подтормаживания колеса и устраняющая
пробуксовку.
ГЛАВА
12
ХОДОВАЯ ЧАСТЬ
Ходовая часть автомобиля предназначена для перемещения автомобиля по дороге с определенным уровнем комфорта, без тряски
и вибраций. Механизмы и детали ходовой части связывают колеса
с кузовом, гасят его колебания, воспринимают и передают силы,
действующие на автомобиль со стороны дороги. Ходовая часть легкового автомобиля состоит:
из передней и задней подвески;
колес и шин.
12.1. Общие положения
Совокупность устройств, обеспечивающих упругую связь между
подрессоренной и неподрессоренными массами, называется подвеской. Подвеска уменьшает динамические нагрузки, действующие
на подрессоренную массу. Она состоит из трех устройств: упругого, направляющего и демпфирующего.
Упругим устройством (поз. 7, 9, 11) (рис. 12.1) на подрессоренную массу передаются вертикальные силы, действующие со стороны
дороги, уменьшаются динамические нагрузки и улучшается плавность хода.
Направляющее устройство (поз. 2) — механизм, воспринимающий действующие на колесо продольные и боковые силы и их моменты. Кинематика направляющего устройства определяет характер перемещения колеса относительно несущей системы.
Демпфирующее устройство (амортизатор) (поз. 6, 7) предназначено для гашения колебаний кузова и колес путем преобразования энергии колебаний в тепловую и рассеивания ее в окружающую среду.
453
12.2. Амортизаторы
7
9
6
8
5
9
9
10
11
1
9
4
2
3
Рис. 12.1. Передняя подвеска автомобиля Ford Kuga:
1 — подрамник; 2 — нижний рычаг; 3 — теплозащитный экран; 4 — ступица
колеса; 5 — опора ступицы; 6 — амортизатор; 7 — пружина; 8 — стойка штанги
стабилизатора; 9 — резинометаллические втулки (сайлент-блоки); 10 — опора
стабилизатора; 11 — стабилизатор поперечной устойчивости
Конструкция подвески должна обеспечивать требуемую плавность хода, иметь кинематические характеристики, отвечающие
требованиям устойчивости и управляемости автомобиля.
12.2. Амортизаторы
Амортизаторы делятся на две группы: амортизаторы двустороннего и амортизаторы одностороннего действия. Последние гасят
колебания только при ходе отдачи рессоры. Амортизаторы двустороннего действия способствуют более плавной работе подвески,
поэтому они почти полностью вытеснили амортизаторы одностороннего действия.
По конструкции амортизаторы подразделяются:
на двухтрубные гидравлические;
двухтрубные газогидравлические с газом низкого давления;
однотрубные газогидравлические с газом высокого давления.
454
Глава 12. Ходовая часть
По степени изменения демпфирования амортизаторы подразделяются:
на амортизаторы без изменения степени демпфирования;
амортизаторы с изменяемой степенью демпфирования.
Устройство гидравлического амортизатора двустороннего действия достаточно широко известно и было рассмотрено в первом
издании, поэтому остановимся на газогидравлических амортизаторах.
В гидравлических амортизаторах даже специально подобранное маловспенивающееся масло при больших скоростях колебаний (пропорциональных произведению хода на частоту колебаний)
порой вспенивается. Причина в том, что масло проходит через
узкие проходы (зазоры в клапанах, каналы, сверления) с очень
большими скоростями и при пониженных давлениях, в результате
чего возникает кавитация (образование пузырьков разрежения).
Этому способствует и повышение температуры амортизатора при
интенсивной работе. Все это препятствует нормальной работе
амортизатора, так как сопротивление вспененного масла во много
раз меньше сопротивления неразрывного объема масла. Амортизатор перестает гасить колебания. Это одна из причин того, что некоторые амортизаторы, вполне приемлемые для езды с комфортом
по обычным дорогам, непригодны для спортивного типа езды.
В некоторой мере эту проблему удалось частично решить в моделях газогидравлических амортизаторов.
Двухтрубные газогидравлические (газонаполненные) амортизаторы. Газонаполненные амортизаторы появились как ответ на
необходимость решения проблемы кавитации. Они работают жестче, но отличаются большими стабильностью и сроком эксплуатации. В двухтрубном газонаполненном амортизаторе рабочий цилиндр и корпус образуют две камеры (рис. 12.2).
Рабочая камера 6, в которой движутся поршень со штоком, полностью заполнена гидравлической жидкостью (маслом). Кольце
образная компенсационная камера 2 между рабочим цилиндром
и корпусом служит для компенсации изменений объема, вызванных
перемещением штока поршня и колебаниями температуры масла. Компенсационная камера частично заполнена маслом и находится под относительно низким давлением газа (азота) — 6...8 кгс/см2,
что снижает вероятность кавитации. Уменьшение кавитации (вспенивания жидкости) улучшает управляемость и стабильность дви-
455
12.2. Амортизаторы
а
б
Рис. 12.2. Двухтрубный газонаполненный амортизатор:
4
3
5
2
6
а — сжатие; б — отбой; 1 — донный
клапанный узел; 2 — компенсационная камера (масло); 3 — рабочий цилиндр; 4 — газ; 5 — клапанный узел
(поршневой); 6 — рабочая камера
1
жения автомобиля, особенно на больших скоростях. Кроме уменьшения вспенивания жидкости, закачка инертного газа дает еще одно
преимущество перед масляными амортизаторами — уменьшение
окисления жидкости и коррозии деталей внутри амортизатора.
Для демпфирования колебаний используются два клапанных
узла — поршневой 5 и донный 1. Они состоят из системы пружинных шайб, винтовых пружин и корпусов клапанов с дросселирующими отверстиями.
При ходе сжатия (рис. 12.2, а) демпфирование обеспечивается
донным клапаном, а также в некоторой степени сопротивлением
жидкости движению поршня. Вытесняемое поршнем масло перетекает в компенсационную камеру. Донный клапан создает определенное сопротивление для этого потока (дросселирует жидкость)
и тем самым тормозит движение вверх.
При ходе отбоя (рис. 12.2, б) демпфирование производит поршневой клапан, который дросселирует направленный вниз поток
масла. Под действием разрежения масло может свободно перетекать в рабочую камеру через открывшийся обратный клапан донного клапанного узла.
456
Глава 12. Ходовая часть
а
б
5
3
4
7
2
1
8
6
Рис. 12.3. Принцип работы однотрубного
газонаполненного амортизатора:
а — ход сжатия; б — ход отбоя; 1, 8 — полости, заполненные газом (компенсационные камеры); 2 — разделительный поршень;
3 — поршень с клапанами; 4 — клапан сжатия; 5 — полость, заполненная рабочей жидкостью; 6 — шток поршня; 7 — клапан отбоя
Двухтрубный газонаполненый амортизатор, как и обычный гидравлический, нельзя переворачивать и разрешается устанавливать
с креном на небольшой угол (не более 45°). Для такого амортизатора должно использоваться специальное уплотнение для штока.
Однотрубные газогидравлические (газонаполненные) амортизаторы. В газонаполненных амортизаторах в однотрубном исполнении (рис. 12.3) рабочий цилиндр наполнен маслом и газом
с избыточным давлением 25...30 кгс/см2.
Масло тщательно отделено от газа при помощи подвижного
разделительного поршня 2. Клапаны амортизатора 4 и 7 для отбоя
и сжатия расположены на поршне. Усилия амортизатора для отбоя
и сжатия установлены независимо друг от друга с помощью пружинных колец и дросселирующих отверстий на поршне. Шток
поршня 6, направляющая штока и уплотнение штока поршня представляют собой высокоточные изделия, обеспечивающие защиту
рабочего цилиндра от проникновения находящегося под высоким
давлением масла как в состоянии покоя штока поршня, так и при
его движении. Шток поршня имеет поверхность, обработанную по
технологии Super-finish, он относится к той группе деталей, которые требуют максимальной точности обработки.
Уплотнение с низким коэффициентом трения прилегает к штоку поршня благодаря предварительному механическому напряжению и внутреннему давлению.
Защитный кожух обеспечивает защиту штока от повреждений
вследствие ударов камней, проникновения внутрь корпуса грязной воды или реагентов.
12.2. Амортизаторы
457
Характеристики работы амортизатора рассчитываются для каждого типа автомобиля отдельно, т.е. с учетом веса, конструкции
моста и пружин подвески.
Однотрубный амортизатор, в отличие от гидравлического двухтрубного, лучше охлаждается, следовательно, стабильнее работает
и лучше справляется с возложенными на него обязанностями.
Принцип работы амортизатора аналогичен описанному выше
гидравлическому, однако в газонаполненном однотрубном амортизаторе отсутствует уравновешивающий резервуар. Как известно,
при сжатии амортизатора к объему жидкости добавляется объем
части штока, задвигаемой внутрь. Поэтому для компенсации объема штока и применен дополнительный поршень 2, который предотвращает также смешивание жидкости и газа. Выше поршня —
жидкость, а ниже — газ под давлением около 25 кгс/см2.
При ходе сжатия (рис. 12.3, а) масло выдавливается из нижней
камеры через встроенный в поршень дросселирующий клапан сжатия 4, который создает протеканию масла определенное сопротивление. Объем компенсационной камеры 1 при этом уменьшается
(сжимается газ) на объем опустившейся части штока поршня.
При ходе отбоя масло (рис. 12.3, б) выдавливается из верхней
камеры 5 через встроенный в поршень дросселирующий клапан отбоя 7, который создает протеканию масла определенное сопротивление. Объем компенсационной камеры при этом увеличивается
(газ расширяется) на объем вышедшей из цилиндра части штока
поршня.
Постоянное давление, оказываемое газом на масло, обеспечивает мгновенную реакцию и бесшумную работу клапанов поршня,
а также исключает возможность кавитации и пенообразования.
При колебаниях рабочего поршня движется и разделительный поршень, перемещаясь ровно настолько, чтобы компенсировать влияние штока.
Еще одним преимуществом таких амортизаторов является возможность устанавливать их в разном направлении (как горизонтально и вертикально, так и под разным углом наклона), что невозможно для гидравлических амортизаторов.
К недостаткам газозаполненных амортизаторов можно отнести
их довольно высокую стоимость, сложность производства, меньший комфорт и достаточно большие нагрузки на кузов автомобиля.
458
Глава 12. Ходовая часть
Последняя особенность негативно сказывается на состоянии кузова,
уменьшает прочность всех металлических деталей, быстрее выходят из строя подшипники, шаровые опоры.
Эксплуатационные различия однотрубных и двухтрубных конструкций заключаются в том, что последние значительно «мягче»
своих собратьев по причине наличия двух «комплектов» клапанов
и за счет меньшего давления в рабочем цилиндре. Это способствует
повышению комфортности. Однако однотрубные модели за счет
своей «жесткости» способны лучше воспринимать неровности
трассы и реагировать на любые, даже самые незначительные, изменения профиля дороги. Комфортность при этом, конечно, страдает, но зато резко возрастает управляемость.
Учитывая повышенную жесткость газонаполненных амортизаторов по сравнению с обычными гидравлическими, их рекомендуется применять для спортивной езды с большими скоростями.
Поэтому газонаполненные однотрубные амортизаторы называют
еще «спортивными» амортизаторами.
Амортизаторы с изменяемой степенью демпфирования. Компромиссом между комфортом и безопасностью (управляемостью)
может являться конструкция амортизатора с возможностью регулирования его жесткости.
Регулирование может осуществляться в зависимости от нагрузки на ось автомобиля, скорости его движения, дорожных условий, температуры окружающего воздуха и самого амортизатора
или от всех условий вместе. В таком случае автомобиль оснащают
соответствующими датчиками и блоком управления, подающим
команды на исполнительные устройства. Подобные системы рассмотрены ниже при описании гидропневматической и пневматической регулируемых подвесок.
В Audi TT используются амортизаторы со специальной семиактивной рабочей жидкостью (масла). Работа амортизаторов базируется на магнитно-реологическом эффекте. Магнитно-реологиче
ская жидкость представляет собой высокодисперсную суспензию
из основанного на углеводороде синтетического масла, в которое
были введены мягкие магнитные частицы диаметром 3...10 мм.
При попадании в магнитное поле меняются свойства магнитной
жидкости. Магнитные частицы выравниваются по направлению
линий магнитного поля. При этом изменяется и усилие протекания жидкости.
459
12.2. Амортизаторы
а
б
1
Рис. 12.4. Амортизаторы
с использованием семиактивной
рабочей жидкости:
2
3
4
6
а — амортизатор передней оси; б —
амортизатор задней оси; 1, 5 — штекерный вывод; 2 — каналы поршня;
3 — поршни; 4 — электрокабель; 6 —
разделительный поршень
5
Конструкция амортизаторов на магнитной жидкости гораздо
проще, чем у обычных амортизаторов (рис. 12.4). Отсутствуют
сложные клапаны обычных амортизаторов. Вместо них есть каналы 2 в поршне 3, через которые проходит поток жидкости. Кроме
того, используются однотрубные амортизаторы. В поршне амортизатора вмонтированы магнитные катушки, в которые подается ток
от блока управления через полые поршневые штоки.
Если на магнитную катушку не поступает напряжение, магнитные частицы, введенные в рабочую жидкость амортизатора, располагаются беспорядочно в жидкости амортизатора. При движении
поршня отдельные частицы всасываются вместе с маслом через
каналы. Сопротивление, которое оказывает масло с частицами, невелико (рис. 12.5, а), значит, подвеска становится «мягкой».
При подаче на магнитную катушку напряжения магнитные частицы выравниваются по линиям магнитного поля, выстраивая
длинные цепочки из частиц. Эти цепочки располагаются поперек
каналов поршня (рис. 12.5, б). При движении поршня отдельные
частицы освобождаются из цепочек и всасываются вместе с маслом
через каналы. Чтобы «разорвать» эти цепочки, поршню амортизатора необходимо преодолеть определенное сопротивление, значительно большее, чем при отсутствии подачи напряжения на катушку. Сопротивление, которое оказывает масло с частицами, велико,
значит, подвеска становится «жесткой». В свою очередь, сопротив-
460
Глава 12. Ходовая часть
а
б
Рис. 12.5. Принцип действия
амортизатора с использованием семиактивной рабочей
жидкости:
а — напряжение на катушку не
подается; б — напряжение на
катушку подается
ление зависит от величины напряжения, определяемого блоком
управления и подаваемого на катушку, а значит, возникающего вокруг катушки магнитного поля.
Амортизаторы с использованием селективной системы демпфирования. Такие амортизаторы применяются в автомобилях Merce
des (рис. 12.6).
Система работает по гидромеханическому принципу без применения электронного управления. В амортизаторе часть потока
масла протекает через дополнительный корпус клапанов 3, который располагается над демпфирующим поршнем 1. Внутри корпуса расположен управляющий поршень 4, который разделяет корпус клапанов на две области.
При малом ходе перемещения амортизатора (обычный стиль
вождения) (рис. 12.6, а) управляющий поршень 4 находится в среднем положении и байпасный канал 2 благодаря этому остается открытым. В этом случае часть потока масла идет мимо щеки поршня
а
б
2
1
2
3
4
Рис. 12.6. Амортизатор
с селективной системой .
демпфирования:
а — демпфирование при обычном
стиле движения; б — демпфирование при динамичном стиле движения
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
461
в открытый проход и протекает через отверстие дополнительного
корпуса клапанов. Это снижает общее гидравлическое сопротивление амортизатора, что обеспечивает более мягкую характеристику амортизаторов.
При движении в повороте и при маневрах (динамичный стиль
вождения) (рис. 12.6, б), т.е. при сильной загрузке амортизаторов,
масло в корпусе клапанов давит на управляющий поршень снизу
или сверху и автоматически закрывает байпасный канал. Это обеспечивает жесткую характеристику амортизатора.
Другие типы амортизаторов с изменяемой степенью демпфирования рассмотрены ниже.
12.3. Подвески с изменением
дорожного просвета
Подвески с изменением дорожного просвета можно подразделить
на подвески с простым изменением клиренса с помощью гидропроставок и системы саморегулирования подвески. Последние
могут быть адаптивными (позволяющими автоматически изменять
демпфирование, дорожный просвет или положение подвески) и неадаптивными. К адаптивным подвескам относятся гидропневматические и пневматические подвески, а также подвески с отключаемыми стабилизаторами поперечной устойчивости.
Гидропроставки. Простой системой, позволяющей изменять
дорожный просвет, является система регулируемых гидравлических проставок (гидроопор) «Квик-Лифт», разработанная фирмой
H&R. Под пружины подвески монтируют гидроопоры, масло в которые закачивает входящий в комплект электронасос. Для включения гидроопор имеется специальный переключатель, при включении которого через 2 с дорожный просвет увеличивается на
30 мм (рис. 12.7). После проезда препятствия подвеску можно вернуть в исходное состояние.
Такие проставки могут устанавливаться на большинство легковых автомобилей, находящихся в эксплуатации, специалистами
сервисных центров.
Адаптивные подвески. Гидравлическая подвеска. Как известно,
при нагрузке дорожный просвет у автомобиля уменьшается. Чтобы
462
Глава 12. Ходовая часть
а
б
Рис. 12.7. Изменение положения кузова автомобиля с гидропроставкой:
а — при включенной гидропроставке; б — исходное положение
избежать этого, применяются системы саморегулирования задней
подвески. На рис. 12.8 приведена компоновка подвески с автоматической регулировкой постоянства уровня кузова легкового автомобиля.
В автомобилях с саморегулированием задней подвески предусмотрен специальный бачок 5 с рабочей жидкостью, которая может подаваться в задние амортизаторы. Эта жидкость выполняет
5
1
3
4
2
Рис. 12.8. Компоновка подвески с автоматической регулировкой постоянства уровня кузова легкового автомобиля:
1 — двухступенчатый насос для обеспечения работы гидроусилителя рулевого управления и регулировки постоянства уровня кузова; 2 — блок управления; 3 — накопители (гидравлические аккумуляторы); 4 — регулятор тормозного усилия; 5 — бачок для рабочей жидкости
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
463
вспомогательную функцию для облегчения действия цилиндрических пружин при перевозке тяжелых грузов. Жидкость подается
в накопители 3 гидравлическим насосом 1. Система управляется
специальным блоком 2, установленным на днище автомобиля. Блок
связан с задним стабилизатором поперечной устойчивости и по положению стабилизатора определяет загрузку автомобиля.
Принцип работы системы показан на рис. 12.9.
При работающем двигателе гидравлический насос подает жидкость к блоку управления. В зависимости от загрузки салона автомобиля вал, на котором установлены два кулачка 6 и 9, может поворачиваться. Поворот вала зависит от положения тяги 13, связанной,
в свою очередь, с задним стабилизатором кузова.
Если автомобиль не нагружен (рис. 12.9, а), кулачок 9, поворачиваясь, воздействует на шарик 10 и тот открывает клапан 3.
Жидкость при этом возвращается из амортизатора в бачок. В этом
положении задняя подвеска поддерживается только цилиндрическими пружинами.
Как только автомобиль загружается выше определенной нормы (рис. 12.9, б), в работу вступает кулачок 6, который толкает
поршень 2 приводного механизма в верхнее положение с помощью
шарика и перекрывает обратную магистраль. Жидкость из накопителей и насоса подается через перепускной клапан 4 в резервуары
амортизаторов. Давление в резервуарах заставляет амортизаторы
слегка удлиниться, приподнимая заднюю часть автомобиля. Как
только задняя часть автомобиля поднимется на нужную высоту,
предохранительный клапан 8 вернет жидкость в накопитель или
бачок.
При постоянном положении кузова в среднем положении
(рис. 12.9, в) амортизаторы, соединенные с клапаном 3, изолированы от жидкостной системы и жидкость перекачивается из бачка
(накопителей) в насос и снова в бачок.
Таким образом, блок управления уровнем поддерживает высоту задней части автомобиля на одном уровне независимо от груза.
Накопители оборудованы наполненной газом камерой, которая
отделена от жидкости резиновой диафрагмой. Эта камера позволяет амортизаторам функционировать правильно даже при наполненных накопителях. При толчке амортизатор сжимается и жидкость выталкивается в накопитель, деформируя его диафрагму.
464
Глава 12. Ходовая часть
а
5
12
3
10
13
9
б
4
8
5
3
2
7
в
6
1
11
Рис. 12.9. Принцип работы системы с гидравлической подвеской:
a — нейтральное положение кузова; б — верхнее положение кузова; в — нижнее
положение кузова; 1 — насос; 2 — поршень приводного механизма; 3 — клапан;
4 — перепускной клапан; 5 — жиклер; 6 — правый кулачок; 7, 10 — шарики;
8 — предохранительный клапан; 9 — левый кулачок; 11 — бачок; 12 — пружина;
13 — тяга
465
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
Когда амортизатор удлиняется, жидкость под давлением диафрагмы
возвращается из накопителя в амортизатор.
Высота дорожного просвета автомобиля изменяется путем переключения установленного в салоне автомобиля рычага управления. Рычаг посредством исполнительных штоков соединен с корректорами высоты подвески. На моделях ранних лет выпуска при
выключении двигателя автомобиль опускается в нижнее положение. Более поздние модели оборудованы односторонним клапаном,
изолирующим подвеску от главной гидравлической системы, что
позволяет избежать подобного опускания кузова после останова
двигателя.
Гидропневматическая подвеска. Совместно с системой саморегулирования применяется гидропневматическая подвеска, принципиальная схема которой показана на рис. 12.10.
Главным составляющим подвески является упругий элемент,
состоящий из цилиндра, в котором перемещается поршень 2, с длинной направляющей цилиндрической поверхностью. В верхней части
цилиндра установлен сферический баллон 4, разделенный эластичной диафрагмой (мембраной) на две полости: верхняя заполнена
сжатым азотом, нижняя — жидкостью. Между цилиндром и баллоном расположен амортизационный клапан (на схеме не показан),
через который пропускается жидкость при ходе отбоя и сжатия.
Функцию упругой пружины в пневмогидравлическом упругом
элементе выполняет газ (азот), заполненная газом полость отделя4
6
5
6
4
5
2
2
3
3
1
1
Рис. 12.10. Принципиальная схема гидропневматической подвески:
1 — рычаг подвески; 2 — поршень гидроцилиндра; 3 — корпус гидроцилиндра;
4 — сферический баллон; 5 — масло; 6 — сжатый азот
466
Глава 12. Ходовая часть
ется от полости, занятой жидкостью, эластичной мембраной. Увеличивая или уменьшая объем жидкости, можно изменять положение
поршня, связанного с направляющим рычагом 1 подвески, и тем
самым менять просвет между кузовом и дорогой. Изменяя давление и объем газа в определенной пропорции (подвеска Hydractive),
можно при одной и той же нагрузке на колесо варьировать упругой характеристикой подвески, делая ее либо «мягкой» (комфортный режим), либо «жесткой» (спортивный режим). Гашение колебаний в таком упругом элементе осуществляется амортизационным
клапаном 8 (рис. 12.11) при перетекании жидкости под воздействием поршня из полости цилиндра в подмембранную полость
баллона.
Увеличение объема газа в пневмогидравлическом упругом элементе (для создания «мягкой» характеристики) достигается с помощью дополнительных сфер 7, включенных раздельно в систему
передней и задней подвесок. Работа подвески в комфортном режиме
обеспечивает при движении автомобиля высокий комфорт и удобство управления; работа в спортивном режиме улучшает устойчивость автомобиля на поворотах и при торможении, что повышает
безопасность. В комфортном режиме электромагнитный клапан 3
и золотник 10 открывают соединительную магистраль между основными сферами 6, а также подключают к ним дополнительную сферу 7, что увеличивает плавность хода. В спортивном режиме золотник отключает третью сферу и размыкает соединительную магистраль, что увеличивает жесткость подвески примерно в три раза.
Для перевода подвески в комфортный или спортивный режим
служит электромагнитный клапан 3 (регулятор жесткости), отключающий или подключающий дополнительный баллон к гидравлическому приводу системы подвески.
Дальнейшим совершенствованием подвески Hydractive явилось
применение электронной системы управления по специальной
программе. Она обеспечивает изменение характеристики подвески
в зависимости от дорожной ситуации для лучшей управляемости
и от состояния дороги. Аналогично рассмотренной выше системе,
программа позволяет водителю выбрать «жесткий» или «автоматический» режим. В «жестком» режиме компьютер регулирует уровень демпфирования для обеспечения спортивной жесткой характеристики подвески. В «автоматическом» режиме регулируется
467
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
а
1
3
2
5
5
8
9
10
8
9
4
6
6
7
б
1
3
2
5
5
8
9
10
9
8
4
6
6
7
Рис. 12.11. Схема работы подвески Hydractive:
а — комфортный режим; б — спортивный режим; 1 — предохранительный
клапан-распределитель; 2 — регулятор положения кузова; 3 — электромагнитный клапан; 4 — регулятор жесткости; 5 — гидроцилиндр подвески; 6 —
основная сфера; 7 — дополнительная сфера; 8 — основной амортизационный
клапан; 9 — дополнительный амортизационный клапан; 10 — золотник
468
Глава 12. Ходовая часть
уровень демпфирования для обеспечения комфортного движения
в нормальных условиях. При торможении, повороте или резком
ускорении система переключается на «жесткий» режим автоматически; при высоких скоростях движения — по сигналу контрольного модуля двигателя в зависимости от угла поворота дроссельной заслонки и давления во впускном коллекторе.
Управляет электромагнитным клапаном, переключающим режимы работы подвески, микропроцессор, который получает информацию от нескольких датчиков: угла поворота рулевого колеса
и его угловой скорости вращения, положения педали акселератора, давления в тормозной системе, крена кузова, скорости автомобиля. Данные памяти компьютера сравниваются с получаемой от
датчиков информацией, и микропроцессор выбирает соответствующий режим подвески, включение которого происходит менее чем
через 0,05 с.
Информацию о положении кузова в микропроцессор передает
специальный датчик (рис. 12.12).
Датчики высоты положения кузова относятся к аналоговому
типу. Они посылают информацию о средней высоте кузова и колебаниях подвески на электронные блоки управления подвеской
и фар. Изменение высоты кузова вызывает изменение угла датчика высоты кузова, что влияет на выходное напряжение датчика.
Отрицательное значение угла датчика высоты кузова соответствует сжатию подвески, положительное — отдаче подвески. Аналогичные системы применяются для автомобилей Mercedes-Benz.
Блок управления получает входные сигналы от следующих устройств:
датчика ускорений кузова; датчика 1
2
ускорений колеса; датчика загрузки
(давление в задних стойках); датчика
угла поворота колеса; переключателя
«комфорт/спорт»; блока управления
ABS о скорости движения автомобиля.
На основании этих данных вычисляются качество дорожного покрытия,
поперечное ускорение, загрузка, предРис. 12.12. Датчик высоты
почтение водителя и производится
положения кузова:
управление клапанами регулировки
1 — контактный разъем;
жесткости (рис. 12.13).
2 — рычаг положения кузова
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
469
4
1
3
2
6
5
Рис. 12.13. Схема работы подвески Mercedes-Benz:
1 — амортизационная стойка; 2, 3 — электромагнитные клапаны;
4 — сфера (энергоаккумулятор); 5, 6 — калиброванные отверстия
Если клапаны 2 и 3 закрыты, сечение канала, по которому перетекает жидкость, минимально, и амортизатор имеет максимальную
жесткость. Открывая клапаны по отдельности или одновременно,
можно увеличить сечение канала и, соответственно, уменьшить
жесткость амортизаторов. При отключении системы питание с контактов снимается, что устанавливает режим максимальной жесткости амортизаторов. Управление жесткостью амортизаторов производится раздельно для передней и задней оси.
Пневматическая подвеска. Кроме названных типов подвесок,
могут применяться и пневматические подвески (рис. 12.14).
В пневматической подвеске положение каждого отдельного колеса определяется не с помощью пружин, а посредством сжатого
воздуха, необходимое количество которого быстро подводится или
отводится через электромагнитные клапаны к имеющим особую
конструкцию амортизаторам. Пневматическая подвеска состоит
из передних и задних пневматических амортизационных стоек,
компрессора, ресивера, блока управления и датчиков, информирующих блок управления о скорости движения, нагрузке автомобиля и угле поворота рулевого колеса. Узлы и механизмы подвески
соединены друг с другом воздушными магистралями и подключены
в электрическую систему автомобиля с помощью многофункцио-
470
Глава 12. Ходовая часть
1
4
3
2
5
16
6
15
7
9
14
8
10
13
12
11
Рис. 12.14. Пневматическая подвеска:
1 — электронный блок управления подвеской; 2 — электронный блок управления двигателем; 3, 6 — задняя стойка с пневмоэлементом; 4 — правый задний датчик положения кузова; 5 — компрессор пневмоподвески; 7 — датчик
ускорения кузова; 8, 13 — датчики ускорения колеса; 9 — левый задний датчик положения кузова; 10 — ресивер; 11 — левый передний датчик положения
кузова; 12, 16 — передняя стойка с пневмоэлементом; 14 — правый передний
датчик положения кузова; 15 — электронный блок управления ABS
нальной шины электронной передачи данных CAN. Подвеска автоматически активизируется, как только открывается дверь автомобиля. Таким образом, еще до начала движения корректируются
клиренс и упругость пневматических амортизаторов.
После этого в работу подвески имеет право вмешаться и сам
водитель, который может установить нужный дорожный просвет,
подняв или опустив кузов автомобиля, что, например, пригодится
для более удобной загрузки багажника либо присоединения прицепа. Кроме того, водитель может выбрать режим — комфортный
или спортивный, в котором будет работать подвеска во время движения. Комфортный режим позволяет водителю и пассажирам
буквально «парить» над дорогой, спортивный — улучшает устойчивость и безопасность на больших скоростях движения. Вместе
с тем индивидуальное регулирование жесткости амортизаторов
471
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
на каждом колесе по отдельности позволяет учитывать крен кузова
и скорость, с которой автомобиль входит в поворот, оценивать
угол поворота и скорость, с которой водитель поворачивает руль.
Тем самым жесткость амортизационных стоек может автоматически изменяться в движении так, что будет найден самый оптимальный и эффективный режим работы подвески, адекватно отвечающий
конкретным дорожным условиям с точки зрения как безопасности, так и комфортности. Например, при торможении передние
колеса будут подрессориваться более жестко, чем задние, а при
ускорении — наоборот, но это в обоих случаях позволит избежать
неприятного продольного «клевка» кузова.
Пневматическая подвеска автоматически приспосаблива
ется к различной загрузке автомобиля и способна выбирать величину дорожного просвета, ориентируясь на дорожные условия
(рис. 12.15).
При помощи пневматической подвески можно регулировать
величину следующих положений дорожного просвета автомобиля:
обычное положение для движения в городе;
пониженное положение для езды на высокой скорости для
улучшения динамики и уменьшения силы сопротивления воздуха;
повышенное положение для движения по пересеченной местности и по плохим дорогам.
Уровень кузова
Управление от руки
Автоматическое регулирование
+25 мм
0 мм
30 с
60 с
–15 мм
0
80
100 120 140
180
200
км/ч
Рис. 12.15. Последовательность процессов автоматического повышения
и снижения уровня кузова (на примере Volkswagen Phaeton):
HN — повышенный уровень; NN — номинальный уровень; TN — пониженный
уровень
472
Глава 12. Ходовая часть
Номинальный уровень дорожного просвета устанавливается
и автоматически поддерживается постоянным при движении со скоростью 80 км/ч и выше, а также во время быстрого разгона до скорости 120 км/ч.
При повышенном уровне (HN) дорожного просвета автоматическое снижение его на 25 мм до номинального (NN) происходит
при скоростях более 120 км/ч. Если уровень был номинальным (NN),
снижение его до пониженного (TN), на 15 мм ниже номинального,
происходит через 30 с после превышения скорости 140 км/ч или
менее чем через 30 с, если скорость достигнет 180 км/ч. Понижение центра тяжести делает автомобиль более устойчивым, а также
одновременно улучшает аэродинамические характеристики, что
значительно снижает расход топлива.
Автоматическое повышение уровня дорожного просвета от пониженного (TN) до номинального (NN) происходит через 60 с после снижения скорости до 100 км/ч или менее чем через 60 с, если
скорость станет менее 80 км/ч.
Чтобы выбрать уровень дорожного просвета кузова, следует
нажать предназначенную для этого клавишу и на дисплей будет
выведено изображение, соответствующее выбранному уровню кузова (повышенный HN или номинальный NN). Номинальный дорожный просвет устанавливается по умолчанию.
Уровень дорожного просвета кузова определяется четырьмя
датчиками уровня кузова, установленными между подрамниками
и нижними рычагами подвески. Результаты измерений сравниваются с заданными величинами, сохраняющимися в памяти блока
управления. Заданные величины вводятся в память для каждого
автомобиля индивидуально.
Воздух, необходимый для регулирования подвески, обычно подается компрессором под давлением до 16 кгс/см2. Компрессор
обеспечивает регулирование уровня кузова при скоростях автомобиля свыше 35 км/ч. При необходимости сжатый воздух подается
также в ресивер. При скоростях ниже 35 км/ч уровень кузова регулируется за счет подачи воздуха из ресивера.
Если дорожный просвет автомобиля изменяется в результате
его загрузки или разгрузки, блок управления включает систему
регулирования, возвращающую кузов на первоначально заданный
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
473
2
3
1
4
Рис. 12.16. Пневматический упругий
элемент с амортизатором:
8
5
7
1 — наружная направляющая манжеты;
2 — воздушная полость; 3 — верхняя
часть корпуса; 4 — газовая полость амортизатора; 5 — манжета; 6 — двухтрубный
гидравлический амортизатор; 7 — компенсационная полость амортизатора; 8 —
поршень
6
уровень. При этом подача воздуха из упругих элементов производится через соответствующие им электромагнитные клапаны,
а выпуск из них — через выпускной клапан.
Основной составляющей пневматической подвески является
пневматический упругий элемент, который состоит из корпуса
с наружной направляющей, манжеты, поршня (являющегося нижней частью корпуса элемента), дополнительного пневмоаккумулятора (в некоторых конструкциях) и встроенного амортизатора
(рис. 12.16).
В зависимости от принятой кинематической схемы подвески
оси пневмобаллоны могут устанавливаться не только совместно
с амортизаторами, но и отдельно от них.
Манжета пневматического упругого элемента изготовляется
из специального многослойного высококачественного эластомера,
армированного полиамидной кордовой тканью, которая придает
ему необходимую прочность. Корд воспринимает усилия, передаваемые на упругий элемент. Изнутри манжета покрыта защитным
слоем, обеспечивающим ее герметичность. Комбинацией слоев
корда достигается необходимая гибкость манжеты при ее перекатывании и высокая чувствительность упругого элемента к изменению нагрузки.
474
Глава 12. Ходовая часть
Блок управления оснащен двумя дублирующими друг друга
процессорами, один из которых в первую очередь отрабатывает
алгоритм управления пневматическими элементами, а другой регулирует сопротивление амортизаторов.
Система регулирования сопротивления амортизаторов обрабатывает сигналы четырех датчиков ускорений колес и трех датчиков ускорений кузова, по результатам этой обработки оценивает
состояние дороги и движения автомобиля и изменяет характеристики каждого из амортизаторов в соответствии с рассчитанной
интенсивностью гашения колебаний. При этом амортизаторы работают на ходах сжатия и отдачи как полуактивные компоненты.
Бесступенчатое регулирование демпфирования производится благодаря применению амортизаторов, характеристики которых изменяются посредством электрических исполнительных устройств.
Эти амортизаторы встроены в стойки с пневматическими упругими элементами. Силы сопротивления амортизатора регулируются
посредством встроенного в него пропорционально действующего
(электромагнитного) клапана. Регулирование производится по
многопараметровой характеристике. Сопротивление амортизаторов меняется в зависимости от характера движения автомобиля
и состояния дороги в течение нескольких миллисекунд.
Принципиально изменение сопротивления амортизаторов производится в соответствии с так называемой «стратегией подвески
к небу». Амортизаторы регулируются в зависимости от вертикальных ускорений колес и кузова автомобиля. В идеальном случае
регулирование осуществляется таким образом, как будто кузов автомобиля подвешен на крюке к небу и плывет над дорогой, практически не повторяя неровностей дороги. Так достигается максимальная комфортабельность автомобиля.
Двухтрубный газонаполненный амортизатор типа CDC (амортизатор с гидравлическим демпфированием) оснащен встроенным в поршень или установленным снаружи амортизатора электромагнитным клапаном, который позволяет изменять степень
демпфирования амортизатора (рис. 12.17). Изменением тока, проходящего по обмотке электромагнитного клапана, можно в течение
нескольких миллисекунд изменить его проходное сечение и, следовательно, сопротивление амортизатора в соответствии с текущей
потребностью.
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
5
475
6
4
7
3
8
2
9
10
Рис. 12.17. Амортизатор
с регулируемым сопротивлением
перетекания жидкости:
1 — дополнительные клапаны; 2 — цилиндр
амортизатора; 3 — корпус амортизатора;
4 — корпус клапана; 5 — кабель подвода
тока; 6 — полый шток поршня; 7 — обмотка электромагнитного клапана; 8 — якорь;
9 — пружина клапана; 10 — главный клапан амортизатора; 11 — потоки рабочей
жидкости
1
11
Необходимое сопротивление амортизаторов при данных условиях движения автомобиля рассчитывается на основании сигналов датчиков всех ускорений колес автомобиля, установленных на
каждом из амортизаторов, и датчиков ускорений кузова. Благодаря высокой скорости распознавания и регулирования процессов
демпфирования при ходе сжатия и отдачи обеспечивается установка характеристики сопротивления амортизатора строго в соответствии с моментальным состоянием движения автомобиля.
Многопараметровые зависимости сопротивления амортизаторов
от условий движения автомобиля записаны в памяти блока управления уровнем кузова.
Чтобы выбрать настройку амортизаторов, следует нажать предназначенную для этого клавишу. Вращая поворотно-нажимную
ручку, можно выбрать один из трех вариантов настройки амортизаторов: комфортный, базовый (устанавливается по умолчанию)
и спортивный.
476
Глава 12. Ходовая часть
2
3
4
5
6
7
1
8
15
9
14
10
13
12
11
Рис. 12.18. Компрессор (на примере Volkswagen Phaeton):
1 — выпускной клапан; 2 — пневматический выпускной клапан; 3, 5, 12 — обратные клапаны; 4 — осушитель воздуха; 6 — цилиндр; 7 — мембранный клапан
(в закрытом положении); 8 — поршневое кольцо; 9 — поршень; 10 — впускной
штуцер; 11 — электродвигатель; 13 — выпускной штуцер; 14 — нагнетательный
штуцер; 15 — ограничительный клапан
Сжатие воздуха производится в компрессоре (рис. 12.18). Компрессор одноступенчатый, поршневой, с встроенным осушителем
воздуха. Чтобы предотвратить загрязнение манжет упругих элементов и осушителя воздуха, компрессор приспособлен для работы
без смазки его цилиндра. Необходимый срок службы обеспечивается применением одноразовой смазки подшипников и фторопластового поршневого кольца.
В корпусе осушителя расположены выпускной трехходовой,
двухпозиционный клапан 1, пневматический выпускной клапан 2
с ограничительным клапаном и три обратных клапана. Выпускной
клапан в обесточенном состоянии закрыт. Пневматический выпускной клапан ограничивает давление в системе и поддерживает остаточное давление в ней.
Перегрев компрессора предотвращается выключением электродвигателя при превышении предельного значения температуры.
При ходе поршня к ВМТ воздух всасывается в картер через
глушитель шума всасывания с фильтром и впускной штуцер 10.
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
477
Воздух, находящийся в цилиндре над поршнем, сжимается и перепускается через обратный клапан 5 в осушитель. Сжатый и осушенный воздух направляется через обратный клапан 12 и нагнетательный штуцер 14 к распределительным клапанам и ресиверу.
При движении поршня к НМТ поступивший в картер воздух
перепускается через мембранный клапан 7 в цилиндр компрессора.
Для подкачки подвески и подъема кузова блок управления одновременно переключает реле компрессора и клапанов пневматических упругих элементов. Воздух при этом через выпускной штуцер 13 поступает через клапаны упругих элементов в воздушную
полость упругого элемента.
Для выпуска воздуха из подвески открываются клапаны пневматических элементов и выпускной клапан 1, в обмотку которого
подается напряжение. При этом воздух из упругих элементов поступает к пневматическому выпускному клапану 2 и направляется
далее через осушитель, ограничительный клапан 15 и глушитель
шума всасывания с фильтром в нишу багажника автомобиля, предназначенную для размещения запасного колеса.
Осушитель воздуха. Поступающий в систему сжатый воздух
должен быть обезвожен, так как конденсат вызывает коррозию
и образование ледяных пробок. Воздух обезвоживается в осушителе, который работает в режиме регенерации, т.е. воздух, нагнетаемый в систему регулирования уровня кузова, осушается в результате пропускания его через гранулированный силикат. Этот
гранулят способен поглощать влагу в количествах, превышающих,
в зависимости от температуры, 20 % собственной массы. Если
в процессе эксплуатации (например, при снижении уровня кузова) выпускается сухой воздух из системы, он пропускается через
гранулят и отбирает накопленную в нем влагу. Благодаря такому
режиму регенерации осушитель не нуждается в обслуживании
и также не подлежит замене в процессе эксплуатации.
Ресивер. Благодаря отбору сжатого воздуха из ресивера обеспечивается быстрый подъем кузова автомобиля при минимальном
уровне шума. Ресивер заполняется только при движении автомобиля, поэтому шум компрессора практически не прослушивается.
При достаточно большом давлении в ресивере уровень кузова может повышаться без компрессора. Под достаточным давлением
подразумевается такой его уровень, при котором обеспечивается
478
Глава 12. Ходовая часть
1
3
2
4
Рис. 12.19. Установленный датчик дорожного просвета:
1 — датчик дорожного просвета; 2 — крепление датчика; 3 — рычажный механизм; 4 — крепление рычажного механизма
перепад давления между ресивером и пневматическими упругими элементами не менее 3 кгс/см2. При скоростях автомобиля до
35 км/ч воздух подается в систему в первую очередь из ресивера
(пока давление в нем достаточно велико), при скоростях более
35 км/ч — непосредственно компрессором. Такая система подачи
сжатого воздуха способствует снижению шума при эксплуатации
и защищает аккумуляторную батарею от чрезмерного разряда.
Датчики уровня кузова. Такие датчики относятся к измерителям угла поворота. Действие датчика дорожного просвета основано на измерении угла поворота кривошипа. Перемещение кузова
преобразуется во вращательное движение частей датчика с помощью рычажного механизма (рис. 12.19).
В датчике угловых перемещений данного типа используется
закон электромагнитной индукции. На выводах датчика создается
сигнал (широтно-импульсной модуляции), который пропорционален углу поворота его оси.
Важнейшими деталями датчика являются статор и ротор
(рис. 12.20). Статор образован многослойной платой, содержащей
катушку возбуждения, три приемные катушки, а также блок управления и обработки результатов измерений. Три приемные катушки
смещены относительно друг друга, образуя звезду. Катушка возбуждения перекрывает приемные катушки с обратной стороны
платы.
479
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
Плата статора
Переменный ток
Три приемные
катушки
U1
~
U2
U3
Катушка
возбуждения
Магнитное
поле 1 (вокруг
катушки
возбуждения)
Токопроводящая петля
(индуцируемый ток)
Вращение ротора
Магнитное
поле 2 (вокруг
токопроводящей петли)
Переменный ток
Ротор, соединенный
с рычагом датчика
Рис. 12.20. Принцип действия датчика уровня кузова
Ротор жестко соединен с рычагом датчика. На роторе выполнена замкнутая токопроводящая петля, форма которой соответст
вует форме трех приемных катушек.
Через катушку возбуждения проходит переменный ток, который
создает вокруг нее переменное электромагнитное поле (поле 1).
Это поле пронизывает токопроводящую петлю ротора. Индуцируемый в токопроводящей петле ротора ток также создает вокруг
нее переменное электромагнитное поле (поле 2).
480
Глава 12. Ходовая часть
Переменные поля, создаваемые катушкой возбуждения и ротором, действуют на три приемные катушки и индуцируют в них
переменные напряжения, величина которых определяется взаимным положением катушек и ротора. Индуцируемый в роторе ток
не зависит от его углового положения, а индуцируемое в приемных катушках напряжение изменяется в зависимости от их положения относительно ротора. Таким образом, это напряжение определяется угловым положением ротора. Поскольку ротор при повороте
в разной степени перекрывает приемные катушки, амплитуды индуцируемых в них напряжений обусловлены углом его поворота
(рис. 12.21).
В электронном блоке производится выпрямление и усиление
индуцируемых в приемных катушках напряжений, величины которых затем сопоставляются. Результаты этого сопоставления преобразуются в выходные сигналы чувствительного элемента датчика
уровня кузова, которые направляются для дальнейшей обработки
блоками управления подвески.
U1
0
Время
Приемная катушка 1
U2
0
Время
Приемная катушка 2
U3
0
Время
Приемная катушка 3
Рис. 12.21. Амплитуды напряжений на выводах приемных катушек
в зависимости от положения ротора
481
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
б
а
C1
d1
m
d2
1
C2
Рис. 12.22. Крепление датчика ускорения на амортизационной
стойке (а) и принцип его действия (б):
1 — датчик ускорения
Датчики ускорения. Датчики ускорений кузова измеряют вертикальные ускорения кузова. Эти датчики устанавливаются в нишах колес, багажнике и на амортизационных стойках (рис. 12.22, а)
Принцип действия датчиков ускорений основан на измерении
электрических емкостей. Между пластинами конденсатора колеблется упруго подвешенная масса m, выполняющая функции центрального электрода (рис. 12.22, б). Емкости конденсаторов C1
и C2 изменяются синхронно с колебаниями массы. Расстояние d1
между пластинами одного конденсатора увеличивается настолько,
насколько уменьшается расстояние d2 другого конденсатора. В результате изменяются емкости обоих конденсаторов. После электронной обработки данных измерений на блок управления уровнем кузова подается напряжение в качестве аналогового сигнала.
Кроме амортизаторов с гидравлическим демпфированием, на
легковых автомобилях применяются амортизаторы с пневматическим демпфированием PDC (Pneumatic Damping Control)
(рис. 12.23).
Усилие демпфирования может варьироваться в зависимости от
давления в пневмобаллоне при помощи отдельного узла PDC 2,
встраиваемого в амортизатор. Узел соединен шлангом с пневматическим упругим элементом. Пропорциональное нагрузке давление
в пневматическом упругом элементе передвигает клапан 11, соединенный с поршнем 10, изменяя гидравлическое сопротивление
между первой и второй рабочей камерой, т.е. усилие демпфирования
482
Глава 12. Ходовая часть
а
б
в
6
7
10 11
5
8
4
3
9
2
1
Рис. 12.23. Амортизатор с пневматическим демпфированием:
а — клапан открыт; б — общий вид; в — клапан закрыт; 1 — донный клапанный узел; 2 — узел PDC; 3 — дроссель в воздушном канале; 4 — первая рабочая
камера; 5 — упорный буфер; 6 — газ; 7 — отверстия; 8 — поршневой клапанный узел с уплотнительной манжетой; 9 — вторая рабочая камера; 10 — поршень PDC; 11 — клапан PDC
при отбое и сжатии. Чтобы сгладить скачки давления в пневматическом упругом элементе (при сжатии и отбое), во входной воздушный канал клапана PDC встроен дроссель 3.
Первая рабочая камера с помощью отверстий 7 соединена
с узлом PDC. При низком давлении в пневматическом упругом
элементе (условия нагрузки — снаряженный или имеющий небольшую частичную нагрузку автомобиль) клапан PDC имеет
малое гидравлическое сопротивление, благодаря чему часть масла
направляется в обход соответствующего демпфирующего клапана,
уменьшая усилие демпфирования.
При ходе отбоя и низком давлении в пневматическом упругом
элементе поршень идет вверх, часть масла дросселируется через
клапаны поршня амортизатора, часть перетекает через отверстия
в первой рабочей камере к клапану PDC. Если управляющее дав-
12.3. Подвески с изменением дорожного просвета
483
ление (давление в пневматическом упругом элементе) и, следовательно, гидравлическое сопротивление клапана PDC малы, то усилие демпфирования уменьшается (рис. 12.23, а, б).
При ходе отбоя и высоком давлении в пневматическом упругом элементе управляющее давление закрывает клапан 11 полностью или частично, следовательно, гидравлическое сопротивление
повышается. Большая часть масла (в зависимости от величины
управляющего давления) должна дросселироваться через клапаны
поршня амортизатора, частично перетекая или совсем не перетекая через отверстия в первой рабочей камере к клапану PDC, усилие демпфирования при этом повышается (рис. 12.23, в).
Аналогично амортизатор с пневматическим регулированием
демпфирования работает и при ходе сжатия.
В автомобилях Audi RS 6, Peugeot 3008 применяется специальная система Dynamic Ride Control (DRC) подавления колебаний
кузова вокруг продольной и поперечной осей при прохождении
поворотов, торможении и трогании с места (динамическое управление креном).
Принцип работы системы DRC основывается на активном использовании объема масла, вытесняемого штоком амортизатора
при рабочем ходе, и вызываемого этим изменения давления.
В обычных амортизаторах это изменение компенсируется с помощью демпфера, работающего за счет сжатия газа (однотрубного
газонаполненного амортизатора) или дополнительной полости для
приема вытесняемого объема масла (двухтрубного амортизатора).
В системе DRC расположенные по диагонали относительно
друг друга передние и задние амортизаторы соединены (рис. 12.24),
что позволило использовать возникающие при колебаниях кузова
перепады давления для подстройки соответствующих характеристик демпфирования при прохождении поворотов, торможении
и трогании с места.
В каждом из диагональных контуров имеется по одному газонаполненному центральному клапану, который компенсирует вытесняемые объемы масла. Амортизаторы соответствующего контура
оказывают влияние на перемещение сдвижного поршня 4, отделяющего газовую камеру 3 от гидравлического контура.
При синхронной работе амортизаторов (штоки амортизаторов
перемещаются в одном направлении) (рис. 12.24, а) в напорные
484
Глава 12. Ходовая часть
камеры 6 и 7 синхронно нагнетается давление, действие которого
направлено в одну сторону. Сдвижной поршень 4 синхронно перемещается в направлении газовой камеры ресивера 3. В результате
этого воспринимаемые подвеской толчки плавно компенсируются
в зависимости от скорости погружения поршней амортизаторов 8
(комфортная настройка).
а
Задний
амортизатор
Центральный
Передний
клапан Направление амортизатор
хода сдвиж
ного поршня
при демпфи
ровании
3
2
Рабочий ход
заднего
амортизатора
1
Рабочий ход
переднего
амортизатора
4
5
б
5
6
Обратный ход
заднего
амортизатора
8
7
8
Рабочий ход
переднего
амортизатора
Рис. 12.24. Система подавления колебаний кузова Dynamic Ride Control:
а — перемещение штоков амортизаторов в одном направлении; б — перемещение штоков амортизаторов в противоположных направлениях
12.4. Отключаемые стабилизаторы поперечной устойчивости
485
Если штоки поршней амортизаторов 5 перемещаются в противоположных направлениях (рис. 12.24, б), то возникает разность
потенциалов давления в первой и второй напорных камерах 6 и 7.
Поэтому движение поршня 4 центрального клапана в направлении ресивера невозможно или возможно лишь в малой степени.
Давления при этом выравниваются через клапанные отверстия
в нижнем поршне 2, перекрытые с одной стороны тонкими металлическим шайбами 1, которые пропускают масло только в одну
сторону, когда его давление превышает определенный порог. Поэтому настройка амортизаторов определяется не только их внутренними процессами, но и рабочими поверхностями центрального
клапана, объемом масла, вытесняемым поршнем амортизатора, отверстиями в поршне центрального клапана и значением давления,
воздействующим на клапаны поршня.
12.4. Отключаемые стабилизаторы
поперечной устойчивости
Стабилизатор противодействует поперечным наклонам кузова и повышает устойчивость автомобиля при движении на повороте, скручиваясь, противодействует противоположному по отношению к кузову перемещению колес одной оси автомобиля.
У вседорожного автомобиля с высоко расположенным центром тяжести стабилизатор должен быть достаточно жестким, чтобы противостоять чрезмерным наклонам его кузова при движении
с большими скоростями на поворотах. При движении вне дорог,
напротив, более пригодны стабилизаторы малой жесткости, допускающие большие перекосы оси автомобиля относительно кузова,
благодаря чему улучшается передача тяговых усилий колесами
и повышается плавность хода автомобиля. При отключенном стабилизаторе разность хода колес одной оси автомобиля может быть
увеличена на 60 мм.
Основными компонентами системы отключаемых стабилизаторов являются:
гидравлический блок;
блок управления стабилизаторами;
стабилизаторы с соединительными устройствами.
486
Глава 12. Ходовая часть
2
1
Рис. 12.25. Отключаемый стабилизатор поперечной устойчивости
Главным элементом отключаемого стабилизатора является гидравлическая кулачковая муфта 2 (рис. 12.25), которая позволяет
соединять и разъединять плечи стабилизатора 1. Она расположена
в средней части стабилизатора.
Кулачковая муфта с гидроприводом (рис. 12.26) содержит полумуфты 1 и 8, соединительный элемент 6, страхующую пружину 5
и расположенный на разъединителе датчик состояния стабилизатора 7. Соединительный элемент свободно перемещается вдоль
стабилизатора под действием давления рабочей жидкости. При
этом он заходит между кулачками полумуфт, обеспечивая их геометрическое замыкание. Выступы соединительного элемента никогда не выходят полностью из проемов между кулачками полумуфт,
благодаря чему подключение стабилизатора обеспечивается при
любом его исходном положении.
Страхующая винтовая пружина 5 обеспечивает подключение
стабилизатора при неисправности гидравлической системы или
электрических компонентов системы управления. Чтобы снизить
износ в месте сопряжения пружины с соединительным элементом,
между ними установлен упорный игольчатый подшипник 3.
Управление стабилизаторами осуществляется с помощью кнопки или автоматически. При нажатии кнопки вырабатываются сигналы отключения и подключения стабилизаторов, которые направляются в блок управления ими.
487
12.4. Отключаемые стабилизаторы поперечной устойчивости
4
а
3
2
1
5
6
7
8
Угол поворота около 34
б
2
9
4
11
10
Рис. 12.26. Кулачковая муфта:
а — муфта замкнута; б — муфта разомкнута; 1 — охватывающая полумуфта;
2 — рабочая полость 1; 3 — упорный игольчатый подшипник; 4 — рабочая
полость 2; 5 — страхующая пружина; 6 — соединительный элемент; 7 — датчик состояния стабилизатора; 8 — охватываемая полумуфта; 9 — правое плечо стабилизатора; 10 — магнитный штифт на соединительном элементе; 11 —
левое плечо стабилизатора
Общая гидравлическая схема отключаемых стабилизаторов
поперечной устойчивости показана на рис. 12.27.
В системе применяется гидроаккумулятор 1 с отделенной посредством мембраны газовой полостью, разделяющей его на две
части. В нем запасается энергия сжимаемого газа, которая используется гидравлической системой по мере необходимости. В нижнюю камеру поступает рабочая жидкость, подаваемая насосом 20
под давлением.
Рабочая жидкость поступает в гидроаккумулятор через обратный клапан 21. Давление в системе повышается по мере заполнения ею гидроаккумулятора и сжатия полости, заполненной азотом.
Объем рабочей жидкости в гидроаккумуляторе увеличивается
488
Глава 12. Ходовая часть
4
5
7
8
6
3
2
10
11
12
9
13
14
1
15
21
22
18
20
19
17
16
Рис. 12.27. Блок-схема системы управления стабилизаторами:
1 — гидроаккумулятор; 2 — клапан отключения переднего стабилизатора; 3 —
левое плечо переднего стабилизатора; 4 — кулачковая муфта переднего стабилизатора; 5, 11 — рабочая полость 1; 6 — соединительный элемент; 7, 12 —
рабочая полость 2; 8 — левое плечо переднего стабилизатора; 9 — левое плечо
заднего стабилизатора; 10 — кулачковая муфта заднего стабилизатора; 13 —
правое плечо заднего стабилизатора; 14 — клапан отключения заднего стабилизатора; 15 — датчик давления в гидравлической системе отключения стабилизаторов; 16 — компенсационный бачок; 17 — клапан вентиляции; 18 — электродвигатель; 19 — фильтр; 20 — насос системы отключения стабилизаторов;
21 — обратный клапан; 22 — гидравлический блок
соответственно уменьшению объема газовой полости. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто давление
выключения насоса. Давление в гидроаккумуляторе удерживается
посредством обратного клапана 21 и направляется через канал
в гидравлическом блоке в корпус кулачковой муфты.
Отключение стабилизаторов осуществляется при помощи электромагнитных клапанов 2 и 14, перемещающих золотники. При
этом соединяются каналы, через которые поддерживаемое гидроаккумулятором давление передается в рабочие полости 5 или 4
того или иного стабилизатора. Включение стабилизаторов происходит при обесточивании электромагнитных клапанов.
Блок управления стабилизаторами обрабатывает сигналы, поступающие от датчика давления, датчиков состояния стабилизаторов, кнопки управления стабилизаторами, датчика скорости авто-
12.5. Шины и диски колес
489
мобиля, датчика поперечного ускорения, датчиков режима работы
трансмиссии. По результатам обработки данных датчиков блок
управления вырабатывает командные сигналы для исполнительных устройств.
12.5. Шины и диски колес
12.5.1. Шины
Шина автомобиля воспринимает вертикальную нагрузку от
веса автомобиля и все усилия, возникающие в пятне контакта
шины с дорогой при ускорении, торможении и повороте автомобиля, смягчая силовые воздействия на автомобиль.
Типы шин. На легковых автомобилях применяются пневматические камерные и преимущественно бескамерные шины. Внутреннее покрытие бескамерной шины изготавливается из слоя воздухонепроницаемой резины толщиной 2...3 мм, а на наружную поверхность борта наносят эластичную резину, которая обеспечивает
герметичность при посадке шины на обод. Вентиль бескамерной
шины образует герметичное соединение при установке его в отверстие обода колеса. При проколе бескамерной шины небольшим
предметом растягивается воздухонепроницаемый внутренний слой
резины шины и пробоина обволакивается резиной. При этом воздух из бескамерной шины выходит очень медленно, в отличие от
камерной, поэтому бескамерные шины более безопасны.
В случае прокола шины, не позволяющего продолжить движение, в комплекте автомобиля должно находиться обычное колесо
или колесо уменьшенного объема «докатка».
В течение многих лет ведущие производители делали попытки
создать шины, которые не боятся проколов. Одни производители
(Goodyear, Michelin) выпускали бескамерные шины с несколькими
герметизирующими слоями, которые очень медленно выпускали
воздух в случае небольших повреждений. Другие (Dunlop, Conti
nental) устанавливали внутри шин специальные капсулы, которые
при смятии шины в результате выхода воздуха разрушались и выделяли герметизирующий состав и газ, накачивающий шину. Сущест
вуют и другие варианты безопасных конструкций шин и устройств
490
Глава 12. Ходовая часть
1
3
2
1
4
Рис. 12.28. Конструкция колеса аварийной системы PAX:
1 — опорное кольцо; 2 — шина; 3 — глицериновый гель; 4 — обод колеса
для быстрого ремонта поврежденных шин. Компания Michelin разработала безопасную шину PAX (рис. 12.28).
В конструкцию колеса входят диск с ободом, опорное кольцо,
шина и датчик давления в шине. Опорное кольцо закреплено в середине обода посредством элементов с геометрическим замыканием.
Это кольцо изготовляется из прочного синтетического материала,
которому придается сотовая структура. Борта шины не зажимаются
закраинами обода, а устанавливаются в посадочные канавки на нем.
Геометрия и конструкция шины PAX существенно отличаются
от традиционных, в особенности в области ее боковин и бортов.
На внутреннюю поверхность беговой части
Fz
шины нанесен глицериновый гель, предназначенный для снижения трения покрышки
об опорное кольцо при движении на спущенной шине.
Принцип действия шины заключается
Fw
в следующем. При полной или частичной потере воздуха покрышка опирается об опорное кольцо. При этом шина удерживается на
ободе благодаря особой форме посадочных
канавок (рис. 12.29). Наиболее опасным является движение автомобиля на поворотах,
Рис. 12.29. Силы,
при котором на боковины шины действуют
действующие
растягивающие усилия. Сила растяжения Fz
в посадочных
канавках обода
вызывает поворот борта шины вокруг его
491
12.5. Шины и диски колес
сердечника. В результате создается сила Fw, действующая во внешней зоне борта и прижимающая его к посадочной канавке.
Система PAX позволяет продолжать движение полностью загруженного автомобиля на спущенных шинах со скоростью до
88 км/ч и на расстояние до 200 км. Несмотря на применение смазочного геля, трение покрышки об опорное кольцо вызывает повышение температуры и соответствующую интенсификацию износа
в соприкасающихся зонах. При движении на спущенных шинах
сохраняется достаточно высокая комфортабельность. Потеря давления в шинах не всегда ощущается сразу. По этой причине автомобиль с шинами PAX всегда оснащают системой контроля давления
в них. Предупреждение об аварийном состоянии шин выводится
на центральный дисплей комбинации приборов.
Компании Goodyear и Bridgestone выпускают шины повышенной мобильности, которые внешне мало отличаются от обычных
и могут устанавливаться на стандартный обод. При проколе воздух из шины выходит, но она поддерживается в рабочем состоянии за счет особой конструкции (рис. 12.30). В боковине шины
имеют специальные вставки из синтетического материала и в них
применяются новые сорта теплостойких резиновых смесей, что не
позволяет шине складываться и разрушаться от нагревания. На спуА
Б
Б1
А1
Б2
A2
1
Рис. 12.30. Состояние шины при проколе:
А — стандартная шина; Б — шина с несущими бортами; А1 — форма стандартной шины при полном давлении; А2 — форма стандартной шины при потере
давления; Б1 — форма шины повышенной мобильности при полном давлении; Б2 — форма шины повышенной мобильности при потере давления; 1 —
усиленная боковина
492
Глава 12. Ходовая часть
1
2
щенных шинах этого типа автомобиль может проехать до 250 км со
скоростью до 80 км/ч.
Еще одним видом безопасных
шин являются шины с наличием специальной «обивки», расположенной
по центру окружности колесного
диска (шины с осевой поддержкой —
Continental CSR (ContiSupportRing),
выпускаемые компаниями Goodyear
и Bridgestone (рис. 12.31).
Система CSR представляет собой
металлическое кольцо 2 с гибкой опоРис. 12.31. Шина
рой 1, которое монтируется непос осевой поддержкой
средственно на обод. Во время нормального движения система CSR не
влияет на динамические свойства. В случае же резкой или постепенной потери воздуха кольцо поддерживает шину, при этом маневренность автомобиля останется на прежнем уровне. Так, даже
отсутствие воздуха в шине не препятствует дальнейшему движению с максимальной скоростью 80 км/ч на расстояние до 200 км
в зависимости от условий эксплуатации, при этом динамические
свойства остаются в достаточной мере стабильными и комфортными. При наезде на неровности дороги, например на бордюрный
камень, система CSR защищает обод от повреждений.
CSR предлагается в основном для оснащения ориентированных на комфорт легковых и полноприводных автомобилей.
Если неисправностей шин не было, то при покупке новых шин
система CSR не требует замены и может быть использована на
всех стандартных ободах в комбинации с любыми видами шин.
В автомобилях Audi TT применяются шины Self Supporting Tires
(SST) (рис. 12.32), позволяющие продолжать работу в аварийном режиме.
Гораздо более жесткие боковины
шин позволяют продолжать движение на расстояние до 50 км при мак- Рис. 12.32. Шина Audi TT SST
12.5. Шины и диски колес
493
симальной скорости до 80 км/ч даже при полном отсутствии давления. По причине измененной геометрии для шин SST используются
специальные диски. Посадочная поверхность диска по сравнению
с обычными колесами выполнена таким образом, чтобы в случае
потери давления борта покрышек не срывались вовнутрь. Борт покрышки располагается в углублении, фиксируя покрышку на закраине обода колеса. Шины, использованные во время аварийного
движения, подлежат обязательной замене.
Фирмой Continental разработаны шины под названием «Conti
Seal», являющиеся самозаклеивающимися. Застрявшие в протекторе инородные предметы обволакиваются вязкой герметизирующей
массой, которая обеспечивает надежную герметизацию отверстий
до 5 мм, возникающих после удаления посторонних предметов.
Герметичность сохраняется в течение всего срока службы шины.
Эти в остальном стандартные шины оснащаются дополнительным
слоем высоковязкого полимерного покрытия 2 (рис. 12.33), который жестко соединяется с внутренней поверхностью шин в области рабочей поверхности во время дополнительного этапа производства шин.
В отличие от других решений повышения мобильности, например шин с усиленной боковиной (SST), или системой гибких
опорных колец (PAX), у самозаклеивающихся шин отсутствуют
обусловленные конструкцией недостатки, такие как увеличение
сопротивления качению, ухудшение акустических и механических
характеристик, а также ухудшенная
равномерность беговой дорожки.
Корейская фирма Kumho предлагает конструкцию шин с универсальными покрышками, которые ус
траняют извечное противоречие между требованиями к проходимости
и шоссейным качествам (рис. 12.34).
2
1
Такие покрышки могут трансформироваться: когда дорожное покрытие
представляет собой бездорожье, из
Рис. 12.33. Самозаклеивающаярезинового протектора выходят
ся шина:
стальные пластины-грунтозацепы 1 — инородный предмет; 2 — вы(на хорошей дороге они прячутся). соковязкое полимерное покрытие
494
Глава 12. Ходовая часть
8
7
6
1
5
Рис. 12.34. Конструкция универсальной шины:
4
3
2
1 — колесный диск; 2 — оболочка полости
для закачки воздуха; 3 — металлокорд;
4 — грунтозацеп; 5 — полость для закачки
воздуха; 6 — стальная основа; 7 — пенополиуретан
Изменение глубины протектора происходит благодаря скрытым
в его толще полостям, в которые закачивается воздух. Раздуваясь,
протектор приподнимается над грунтозацепами, которые остаются
на месте, поскольку жестко укреплены на внутренней стальной
оболочке. По бездорожью автомобиль движется при небольшом
давлении и грунтозацепах. Боковины шины заполнены не воздухом, а пенополиуретаном, что и придает им эластичность.
Подобную конструкцию разработала и американская компания
Qtires. Водитель автомобиля, оборудованного безопасными шинами, может не заметить прокола, поэтому совместно с такими шинами должны устанавливаться системы контроля давления воздуха в шинах.
Системы контроля давления в шинах могут быть датчиками
и радиосигналами, по определению изменения радиуса колес и др.
Система контроля давления воздуха в шинах с использованием специального контрольного устройства (колпачков Easy
Control). Наиболее простым и дешевым способом постоянного
контроля давления в шинах является установка на колесе вместо
штатного колпачка ниппеля специального контрольного устройства
(рис. 12.35). Так, например, применение колпачков Easy Control
бельгийской компании Environix позволяет быстро узнать, не упало ли давление в колесе: достаточно просто взглянуть на цвет колпачка. Если он остается зеленым — то давление в норме, станет
желтым — необходима более точная проверка, а если покраснеет,
то шины следует срочно подкачать.
495
12.5. Шины и диски колес
Рис. 12.35. Колпачки Easy Control для контроля давления воздуха в шине
Система контроля давления воздуха в шинах с использованием радиосигнала позволяет во время движения контролировать давление воздуха в шинах и предупреждает водителя в случае
потери давления соответствующей индикацией на комбинации
приборов.
Система (рис. 12.36) состоит из датчиков давления воздуха,
навинченных на металлические корпуса вентилей (рис. 12.37),
2
а
1
Cвязь:
передатчик — датчик
4
б
3
Cвязь:
датчик — антенна
Рис. 12.36. Система контроля давления воздуха в шинах:
а — расположение антенны на крыше; б — антенна, устанавливаемая в арках
колес; 1 — датчик давления воздуха в шине; 2 — электронный блок управления давления воздуха в шинах; 3 — передатчики системы контроля давления
воздуха в шинах; 4 — приемная система контроля давления воздуха в шинах
496
Глава 12. Ходовая часть
от которых передается радиосигнал на
приемную антенну, передатчиков, ус
танавливаемых обычно в арках колес,
2
1
электронного блока управления. Приемная антенна системы контроля давления может находиться на крыше
(рис. 12.36, а). Некоторые производители вместо передатчиков устанавливают
антенны в арках колес (рис. 12.36, б).
Рис. 12.37. Датчик давления
Антенны системы контроля за давлевоздуха в шине:
нием воздуха в шинах служат для ло- 1 — датчик; 2 — место устакализации и инициализации датчиков
новки датчика
низкого давления в шинах.
Датчик давления измеряет текущее (абсолютное) давление
в шине. Чувствительные элементы датчиков давления и температуры, а также электронные элементы измерения и управления
объединены в общем корпусе.
Датчики низкого давления в шинах находятся в колесах и содержат вентиль шины. Датчики передают сигнал на радиочастоте
в РЧ-приемник следующие данные: идентификационный номер
датчика (ID); давление в шине; температуру воздуха; ускорение.
ID датчика служит для идентификации сигнала давления воздуха
в шине. В датчике содержится аккумуляторная батарея с расчетным сроком службы 10 лет.
Датчики давления могут быть многократно использованы при
замене шин или дисков колес.
Принцип действия. Давление в шинах контролируется постоянно: как при движении автомобиля, так и при остановке. При открывании двери водителя или включении замка зажигания начинается процесс инициализации системы. При этом блок управления
с небольшой разницей по времени присваивает каждому передатчику системы контроля давления в шинах и приемной антенне
специальный адрес. По окончании инициализации каждый передатчик последовательно друг за другом получает сообщение от
блока управления. Затем передатчик с присвоенным ему адресом
однократно посылает радиосигнал частотой 125 кГц. Этот радиосигнал из-за его малого радиуса распространения может принять
только соответствующий датчик системы контроля давления
12.5. Шины и диски колес
497
в шинах. Датчик по команде сигнала передает текущие измеренные значения давления и температуры. Антенна принимает этот
сигнал и по LIN-шине передает его на блок управления. После этого связь прекращается до момента начала движения автомобиля.
Температурный сигнал используется для введения поправки к величине давления, связанной с изменениями температуры воздуха
в шине, а также в качестве диагностируемого параметра. Температурная поправка производится блоком управления системой контроля давления в шинах. При этом измеренные значения давления
приводятся к температуре 20 °C.
Для определения начала движения датчики системы контроля
давления в шинах снабжены центробежными датчиками для распознавания вращения колес. При начале движения привязка датчиков к положению колес проходит в течение 2 мин. При достижении скорости 20 км/ч и выше каждый датчик автоматически
и без сигнала от соответствующего передатчика передает измеренные им значения. Посланный радиосигнал содержит информацию
о соответствующем датчике. Благодаря этому блок управления
может различать отдельные датчики и их местоположение в автомобиле. В нормальном режиме эксплуатации каждый передатчик
посылает сигнал каждые 30 с.
Если датчик распознает быстрое изменение давления
(> 0,2 кгс/см2), то он автоматически переключается в режим учащенного измерения и передачи данных и передает текущие измеренные значения каждую секунду.
Управление и индикация. Управление системой осуществляется
через мультимедийный интерфейс и отображается на специальном
дисплее информационной системы водителя (рис. 12.38).
Система может распознавать следующие состояния давления
воздуха в шинах: медленное падение давления, в этом случае о необходимости подкачки шины водителю сообщается заблаговременно; резкое падение давления — сообщается при движении автомобиля; чрезмерное падение давления при стоянке — сообщается
сразу после включения зажигания.
Если в шинах изменялось давление, например в случае подкачки или перестановки колес, необходимо вводить параметры
номинального давления.
Если давление в шинах снижается более чем на 0,5 кгс/см2
(бар), на дисплее загорается информация, подсвечиваемая красным
498
Глава 12. Ходовая часть
Рис. 12.38. Индикация показателей давления воздуха
и температуры в шинах
светом. При снижении давления до 0,3 кгс/см2 информация подсвечивается желтым светом.
Информация о снижении давления может оповещаться контрольной лампой в комбинации приборов и однократным акустическим сигналом при каждом включении зажигания.
Система контроля давления воздуха в шинах по определению изменения радиуса колес. Принцип ее работы состоит в следующем.
Если из шины выходит воздух, участок пути, проходимый шиной за один оборот, становится меньше (рис. 12.39). Из-за этого
а
б
R2
R1
Рис. 12.39. Изменения радиуса колеса при изменении давления
воздуха в шине:
R1 — радиус колеса при нормальном давлении воздуха в шине;
R2 — радиус колеса при пониженном давлении
12.5. Шины и диски колес
499
для прохождения определенного расстояния шине с уменьшенным давлением придется совершить большее число оборотов по
сравнению с шиной с нормальным давлением. Число оборотов регистрируется датчиком и оценивается блоком управления системы курсовой устойчивости ESP, благодаря чему блок управления
распознает уменьшение давления в шине. Недостатком такой системы является то, что при определенных режимах движения, например при быстром прохождении поворотов, движении по плохой дороге, начале движения и торможении, оценка измеряемых
величин давления является неточной.
Обозначение шин. От условий взаимодействия шины и дороги зависит управляемость автомобиля и безопасность дорожного
движения в целом. Поэтому в настоящее время вопросы состояния
и безопасной эксплуатации автомобильных шин достаточно подробно регламентированы действующей нормативной и технологической документацией.
Каждая шина имеет собственную маркировку, необходимую
для правильного выбора шины. Примеры маркировок шин легковых автомобилей представлены на рис. 12.40.
Кроме этих обозначений, на шине могут быть нанесены:
фирменный знак завода-изготовителя;
срок службы;
возможность применения шины при торможении на мокрой
поверхности;
температурная устойчивость шины;
код изготовителя;
балансировочная метка, обозначающая самое легкое место
покрышки или бескамерной шины в виде круга диаметром 5...10 мм
над закраиной обода. При монтаже шины на обод колеса балансировочная метка должна совмещаться с вентилем;
специальные обозначения, например XL (XL то же, что и EL
(extra load) — усиленные).
Обозначение шины грузовых автомобилей постоянного давления: 11/70R22,5 И-305 156/153 F 115PSI ГОСТ 5513 497 80376
Made in Russia, где 11/70R22,5 — условное обозначение шины:
11 — обозначение номинальной ширины профиля шины в дюймах, 70 — серия шины (отношение высоты профиля шины к ее
ширине в процентах), R — буквенный индекс радиальной шины;
500
Глава 12. Ходовая часть
12
13
14
15
3
4
5
6
7
8
17
11
9
10
2
16
18
19
20
21
22
1
Рис. 12.40. Обозначение шины легкового автомобиля:
1 — максимально допустимая нагрузка (для США); 2 — внутреннее давление
в шине; 3 — слои; 4 — боковая стенка (SIDEWALL 2 RAYON означает, что
стенка состоит из двух слоев искусственных нитей); 5 — количество слоев
(TREAD 2 RAYON + 2 STEEL + 2 NYLON) — 6 слоев (2 слоя каркаса, 2 слоя
стальной проволоки, 2 слоя нейлона); 6 — шина соответствует специальному
контролю DOT (Departament of Transportation); 7 — код изготовителя; 8 —
код размера покрышки; 9 — код типа покрышки (устанавливается изготовителем); 10 — порядковый номер недели изготовления; 11 — год изготовления;
12 — RADIAL (радиальная шина); 13 — tubeless (бескамерная шина); 14 —
номинальная ширина покрышки в мм; 15 — отношение высоты к ширине
(55 %); 16 — R (радиальный тип каркаса шины); 17 — диаметр обода в дюймах; 18 — 88, условное обозначение допустимой нагрузки на шину (допустимая нагрузка зависит от давления воздуха в шине и определяется по специальной таблице. Например, число 88 при давлении в шине 2,0 кгс/см2 соответствует
максимально допустимой нагрузке 470 кг); 19 — Q, индекс максимально допустимой скорости, км/ч (значения скоростей и символов: F — 80; M — 130,
P — 150; Q — 160; R — 170; S — 180; T — 190; H — 210; V — 240; W — 270;
Y — 300); 20 — ЕСЕ (Economic Commisson for Europa), знак технического
контроля (отметка о допуске с кодом страны, выдавшей допуск, например
Е3 — Италия, Е4 — Нидерланды); 21 — регистрационный номер допуска;
22 — M + S (Matsh + Scnee), шина предназначена для зимней эксплуатации
22,5 — обозначение номинального диаметра обода в дюймах; ранее выпускаемые шины имели двойное обозначение 11/70R22,5
(280/70R572), где параметры шины 280 и 572 даны в мм;
И-305 — торговая марка (модель шины): И — условное обозначение разработчика шины, 305 — порядковый номер разработки;
156/153 — индексы несущей способности нагрузок для одинарных и сдвоенных колес (определяются по специальным табли-
12.5. Шины и диски колес
501
цам). Эти шины могут эксплуатироваться в одинарном колесе при
максимально допустимой нагрузке, равной 40 000 Н, в сдвоенном
колесе — 36 500 Н;
F — индекс категории скорости. В соответствии с данными
специальной таблицы максимально допустимая скорость составляет 80 км/ч;
115PSI — индекс давления. Указывает испытательное давление
для шин грузовых автомобилей. Индекс С означает, что шины
предназначены для легких грузовых автомобилей и автобусов особо малой вместимости. Определяется по специальным таблицам.
В конкретном случае индекс указывает, что давление воздуха в шине
должно быть 795 кПа;
ГОСТ 5513 — обозначение стандарта, по которому выпускается
шина;
497 — дата изготовления (49 — порядковый номер недели с начала года, 7 — последняя цифра года изготовления 1997 г.);
80376 — порядковый номер шины;
Made in Russia — страна, где изготовлена шина (Россия).
12.5.2. Диски колес
Диски колес, применяемые на легковых автомобилях, разделяются на стальные и легкосплавные.
Стальные колеса изготавливают методом штамповки из листового металла с последующей сваркой составляющих элементов.
Достоинствами стальных колес являются сравнительно невысокая
стоимость и хорошие эксплуатационные качества. К недостаткам
следует отнести большую массу колеса и несколько широкое поле
допусков на изготовление, что требует тщательной балансировки.
Легкосплавные литые и кованые колеса изготавливаются целиком из единой заготовки. При этом литые колеса вытачиваются
непосредственно из отливки, а кованые — из предварительно прокованной заготовки (поковки), что обеспечивает им более высокую прочность.
Стойкость легкосплавных колес к деформации от ударов выше,
чем стальных. Однако стальное колесо при деформации никогда
не разрушается, и на нем, если оно способно удерживать воздух
в шине, можно доехать до места ремонта. Легкосплавные колеса
502
Глава 12. Ходовая часть
при сильном ударе, как правило, просто раскалываются. Кроме того,
если погнутое стальное колесо можно выправить на специальном
станке, то легкосплавное восстановить значительно сложнее.
Главное преимущество легкосплавных колес перед стальными —
меньшая масса. Литое 13-дюймовое колесо весит около 6 кг, что на
1–2 кг меньше стального. Снижение массы колеса в сборе с шиной
ведет к снижению неподрессоренных инерционных масс и улучшению условий работы подвески автомобиля, так как колесо быстрее «повинуется» возвращающему действию упругих элементов
подвески и восстанавливает потерянный контакт с дорогой. Это
повышает комфортабельность езды и безопасность движения. Улучшаются управляемость автомобиля, тормозная динамика, незначительно, но снижается расход топлива. Благодаря высокой точности изготовления и характеристикам материалов легкосплавные
колеса лучше удерживают бескамерную шину на ободе.
Кованые колеса в сравнении с литыми весят еще меньше: R13 —
4,9 кг. Они имеют меньшую толщину стенок — до 3 мм, в то время
как у литых стенки должны быть не тоньше 5,5 мм. Тем не менее,
кованые колеса лучше переносят удары от неровностей дорожного
покрытия и более стойки к разрушению и деформации.
Легкосплавные колеса изготавливаются в основном из алюминиевых сплавов. Реже используется магний, хотя колеса из него
легче алюминиевых на 0,5–1,5 кг и имеют лучшую (в 100 раз)
демпфирующую способность. Кроме того, благодаря высокой теплопроводности магний позволяет дополнительно снижать нагрев
тормозных механизмов и ступиц автомобиля при движении.
В то же время алюминий и особенно магний — металлы, весьма подверженные коррозии. Чтобы защитить колеса, их производители применяют дорогостоящие покрытия — специальные лаки
сложных составов, но эта защита не вечна, а восстановить ее очень
трудно. Повредить лак можно не только на плохой дороге или под
воздействием зимней соли, но и при неумелом монтаже/демонтаже шины. Кроме того, легкосплавные колеса балансируются с помощью специальных грузов, которые наклеиваются на поверхность
обода. Обычные грузы на скобах могут просто не установиться на
округлую закраину обода, а после перебалансировки колеса на нем
могут остаться царапины и пятна коррозии от контакта со сталью
скоб.
503
D
W
P.C.D.
DIA
P.C.D.
DIA
12.5. Шины и диски колес
W
D
DIA
P.C.D.
ET
LZ
ET
– ширина диска
– диаметр диска
– диаметр отверстия под ступицу
– диаметр центров крепежных отверстий
– offset (вылет) расстояние
от посадочной плоскости колеса
до середины профиля обода
– количество крепежных отверстий
Рис. 12.41. Основные размеры диска колеса
Колеса и их диски обозначают основными размерами ободьев —
шириной профиля и номинальным диаметром обода (в миллиметрах или дюймах) (рис. 12.41).
На дисках могут быть нанесены различные обозначения
(рис. 12.42).
Обозначение 6J × 15 Н2 ЕТ 37 расшифровывается следующим
образом:
6 — номинальная ширина профиля обода (зева диска) в мм;
J — тип бортовой закраины (высота бортовой кромки диска); 15 —
номинальный посадочный диаметр в дюймах; Н2 — Hump — исполнение диска с внутренним ограничителем-приливом для борта
шины по периметру полки обода, цифра 2 — два ограничителя по
одному на каждой полке, что характерно для бескамерных шин;
ЕТ 37 — расстояние от посадочной поверхности диска до его линии симметрии.
504
Глава 12. Ходовая часть
1
2
3
4
5
6
7
8
Рис. 12.42. Обозначение дисков:
1 — товарный знак фирмы-изготовителя; 2 — порядковый номер изготовителя колес; 3 — размер колеса; 4 — глубина колеса; 5 — опознавательный знак
фирмы-производителя; 6 — порядковый номер автотранспортного средства,
на котором установлено колесо; 7 — страна-изготовитель; 8 — месяц и год
изготовления
Примеры обозначения размеров колес и их дисков:
а) для легковых автомобилей:
127J × 330 или 5J × 13; 114К × 355 или 41/2К × 14; 152L × 380
или 6L × 15; 114В × 305 или 4,5В × 12;
б) для грузовых автомобилей:
140–508 или 5,5–20; 152–508 или 6,0–20; 178–508 или 7,0–20;
206–508 или 8,0–20;
в) для бескамерных автомобильных шин:
8,25 × 22,5;
9,00 × 22,5.
12.5. Шины и диски колес
505
Здесь первые цифры — 127, 114, 152, 140, 152, 178, 206 — обозначают номинальную ширину профиля обода (зева диска) в миллиметрах, 5, 41/2, 6, 4,5, 5,5, 6,0, 7,0, 8,0, 8,25 и 9,00 — в дюймах;
вторые цифры 330, 355, 380, 305, 508 — номинальный посадочный
диаметр обода в миллиметрах, 12, 13, 14, 15, 20 и 22,5 — в дюймах;
буквы J, К, L, В — тип бортовых закраин для колес легковых автомобилей; х — обозначение для глубокой постели дисков.
ГЛАВА
13
РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Рулевое управление, включающее рулевой механизм и рулевой
привод, служит для осуществления движения в желаемом направлении.
Рулевые механизмы легковых автомобилей бывают червячного (в более ранних моделях) и более распространенного реечного
типа. Для облегчения управления автомобилем используются различные усилители. К основным усилителям, применяемым на легковых автомобилях, относятся:
гидравлический усилитель рулевого управления без электронного управления;
гидравлический усилитель рулевого управления с электронным управлением;
электроусилитель.
Управляемыми, как правило, являются передние колеса, однако в целях повышения безопасности движения и уменьшения радиуса поворота некоторые фирмы выпускают автомобили с двумя
управляемыми осями.
13.1. Гидравлические усилители
13.1.1. Гидравлический усилитель рулевого управления
без электронного управления
Механизм рулевого управления с гидроусилителем выполнен
по интегральной схеме: в одном корпусе с рулевым механизмом
размещены гидравлический распределитель и силовой цилиндр
(рис. 13.1).
507
13.1. Гидравлические усилители
7
из Б
вА
8
вА
из Б
из Б
вА
4
3
2
А
Поворот влево
Б
1
9
5
вБ
из А
из А
вБ
вБ
из А
Поворот вправо
6
Прямолинейное
движение
Рис. 13.1. Схема гидроусилителя рулевого управления:
1 — вал-золотник; 2 — торсион; 3 — винт; 4 — гильза; 5 — поршень-рейка; 6 —
вал сошки; 7 — масляный бачок; 8 — сетчатый фильтр; 9 — насос; А — полость
силового цилиндра, находящаяся под давлением рабочей жидкости при пово
роте налево; Б — полость силового цилиндра, из которой рабочая жидкость
уходит на слив при повороте налево
Тип рулевой передачи: винт — шариковая гайка — зубчатая
рейка — трехзубый сектор. Зубчатая рейка выполнена как одно целое
с поршнем и шариковой гайкой винтовой передачи. Винт рулевого
механизма, взаимодействующий с шариковой гайкой, установлен на
двух упорных подшипниках, один из которых размещен в картере
рулевого механизма, а другой — в корпусе распределителя.
Трехзубый сектор установлен на валу 6 сошки и взаимодейст
вует с зубчатой рейкой поршня-рейки 5.
Гидравлический распределитель — тангенциальный, роторного
типа, с центрирующим элементом в виде торсиона.
Вал-золотник 1 распределителя с рабочими гидравлическими
элементами одним концом размещен в осевом отверстии винта
рулевого механизма, а другим опирается на роликовый радиаль
508
Глава 13. Рулевое управление
ный подшипник в корпусе распределителя. Вал-золотник и винт
связаны между собой посредством сегментных поперечно расположенных упоров: они ограничивают их взаимный относительный
поворот и обеспечивают механическую связь при передаче вращения от вала-золотника винту рулевого механизма при выходе из
строя гидроусилителя.
Гидравлическое нейтральное положение вала-золотника устанавливается в процессе сборки и приемочных испытаний распределителя и фиксируется штифтом.
Рассмотрим на схеме работу механизма при левом повороте
(см. рис. 13.1). Водитель через рулевое колесо и вал поворачивает
вал-золотник 1, соединенный с винтом посредством торсиона. Вращение вала-золотника относительно гильзы винта приводит к перекрытию каналов гидрораспределителя, отвечающих за слив рабочей жидкости из полости А, и открытию каналов, обеспечивающих
слив из полости Б. Одновременно полость Б отсоединяется от напорной магистрали и рабочая жидкость под давлением поступает
в полость А. Поршень-рейка 5 под воздействием давления рабочей
жидкости перемещается в направлении корпуса распределителя.
Зубчатая рейка, взаимодействуя с зубчатым сектором, вызывает
поворот последнего, а через него — поворот сошки и управляемых
колес автомобиля. При снятии усилия с рулевого колеса скрученный торсион возвращает вал-золотник в среднее положение, при
этом в полостях А и Б устанавливается давление слива. Управляемые колеса под действием стабилизирующего момента занимают
положение для движения по прямой, поворачивая сошку и связанный с ней вал-сектор. Вращение вала-сектора вызывает перемещение
поршня-рейки, пока он не займет среднее положение в механизме.
На автомобилях с гидроусителем могут применяться насосы
обычного типа и насосы гидроусилителя рулевого управления
с изменяющимся коэффициентом усиления, схема и принцип работы которого показан на рис. 13.2.
При работе двигателя на холостом ходу (рис. 13.2, а) кольцо
эксцентрика 2 прижимается силой натяжения пружины 1 и внутренними соотношениями давления к наружному кольцу 4. Так
как давление на сторонах всасывания 14 и нагнетания 15 будет
одинаковым, за счет силы давления пружины 16 регулирующий
поршень 8 будет нагружен и находиться в правом крайнем положении.
509
13.1. Гидравлические усилители
а
5
7
6
б
8
в
16
14
4
3
2
9
13
10
1
15
11
12
Рис. 13.2. Схема работы насоса гидроусилителя рулевого управления
с изменяющимся коэффициентом усиления:
а — работа на холостом ходу; б — работа при увеличенной установившейся
частоте вращения ротора; в — работа при дальнейшем увеличении частоты
вращения ротора; 1 — пружина сжатия; 2 — кольцо эксцентрика; 3 — дроссель; 4 — наружное кольцо; 5 — клапан ограничения давления; 6 — цилиндр;
7 — масляный резервуар; 8 — регулирующий поршень; 9 — ротор; 10 — левая
полость; 11 — правая полость; 12 — кольцевая полость; 13 — подача масла
к рулевому механизму; 14 — сторона всасывания; 15 — сторона нагнетания;
16 — пружина регулирующего поршня
Объем подачи и давление насоса возрастают пропорционально
увеличению частоты вращения ротора 9 (рис. 13.2, б). Под действием более высокого давления от нагнетательной стороны регулирующий поршень 8 сдвигается влево, преодолевая натяжение
пружины 16. При средней частоте вращения ротора насоса каналы
сторон всасывания и нагнетания закрываются регулирующим
поршнем. Происходит выравнивание давления в левой 10 и правой 11 полостях. Кольцо эксцентрика удерживается в определенном
среднем положении, что обеспечивает относительное постоянство
объема подачи. Если частота вращения продолжает увеличиваться
(рис. 13.2, в), повышаются и объем подачи, и давление. Регулирующий поршень сдвигается еще больше влево против силы натяжения
пружины. Таким образом, каналы левой 10 и правой 11 полости
соединяются. Давление на стороне нагнетания начинает возрастать,
и кольцо эксцентрика сдвигается влево против силы натяжения
пружины 1. Таким образом, уменьшается эксцентриситет между
ротором и кольцом эксцентрика. Объем подачи уменьшается, чем
и предотвращается избыточная подача масла под давлением, что
уменьшает мощность, потребляемую насосом, а значит, и расход
энергии.
510
Глава 13. Рулевое управление
13.1.2. Гидравлический усилитель рулевого управления
с применением электрогидравлического преобразователя
и электронным управлением
Чем выше скорость автомобиля, тем меньшие усилия должен
прилагать водитель к рулевому колесу, чтобы изменить направление движения, что может привести к потере управляемости. Такая
принципиальная закономерность характерна для всех систем рулевого управления (с постоянным и переменным передаточным
отношением).
Для улучшения управляемости автомобиля следует повышать
крутящий момент при высоких скоростях и сводить его до минимума при малых скоростях движения и парковке. Для выполнения
этих требований современные легковые автомобили оснащаются
гидроусилителями с электронным управлением и регулированием
типа Servotronic. Эта система регулирует усилия на рулевом колесе в зависимости от скорости автомобиля (рис. 13.3).
Усилитель руля Servotronic (рис. 13.4) создан на базе обычного
гидроусилителя. Измененная конструкция клапана управления
с поворотным золотником позволяет реализовать принцип непоДавление Р (бар)
120
0 км/ч
100
50 км/ч
80
60
40
120 км/ч
20
10
8
6
4
2
0
2
4
6
8
10
Момент на рулевом колесе, Н м
Рис. 13.3. Зависимость момента на рулевом колесе от скорости движения
автомобиля при применении гидроусилителя типа Servotronic. Нулевая
скорость соответствует парковке
511
13.1. Гидравлические усилители
а
3
1 2
18
4
Cлив
12
17
15
б
18
16
1
К левой
полости
силового
цилиндра
9
5
6
От насоса
11
7
10
8
19
2
14
13
в
К правой
полости
силового
цилиндра
18
1
2
Cлив
Cлив
От насоса
От насоса
К левой
полости
силового
цилиндра
К правой
полости
силового
цилиндра
Рис. 13.4. Схема рулевого управления, оборудованного гидроусилителем
с электронным управлением:
а — нейтральное положение; б — поворот влево; в — поворот вправо; 1, 7 —
поворотный золотник; 2, 5 — торсион; 3 — электронный блок управления;
4 — датчик сигнала скорости; 6 — штифт; 8 — гидравлический насос; 9 — резервуар; 10 — предохранительный и перепускной клапан; 11 — реактивный
поршень; 12 — электромагнитный клапан; 13, 18 — распределительная втулка;
14 — правая полость силового цилиндра; 15 — левая полость силового цилиндра; 16 — подвод жидкости к правой полости; 17 — подвод жидкости к левой
полости; 19 — поршень
512
Глава 13. Рулевое управление
средственной гидравлической обратной связи. Применением элек
трогидравлического преобразователя и соответствующим приспо
соблением клапана управления удалось обеспечить зависимость
степени усиления от скорости автомобиля.
Необходимое для работы системы Servotronic давление рабо
чей жидкости порядка 130 кгс/см2 создается гидронасосом обыч
ной конструкции. Под этим давлением рабочая жидкость поступа
ет к поворотному золотнику 7 клапана управления.
В свободном состоянии торсион удерживает клапан управле
ния в среднем (нейтральном) положении.
В блоке клапана управления находится торсион 5 (рис. 13.5).
Верхняя часть торсиона соединена штифтом с золотником 7. Ниж
няя его часть соединена также штифтом с ведущей шестерней 20
и втулкой 13 распределителя. Торсион связан с рулевым валом че
рез карданный шарнир. Соединения тор
сиона выполнены посредством штифтов 6.
Подаваемая гидронасосом рабочая жид
кость поступает через входное отверстие
в корпус клапана управления и далее через
5
кольцевой паз и радиальные отверстия в рас
пределительной втулке клапана к регули
6
рующим кромкам золотника. При нейтраль
7
ном положении клапана (см. рис. 13.4, а)
рабочая жидкость перетекает через при
точные кромки золотника 1, поступает во
13
все продольные пазы распределительной
втулки и далее мимо сливных кромок зо
лотника в его сливные пазы. Через эти пазы
рабочая жидкость отводится в сливную
полость, а затем в бачок. При этом правая
20
и левая полости силового цилиндра ока
зываются соединенными между собой че
рез подключенные к ним трубопроводы
и кольцевые пазы в корпусе клапана.
Рис. 13.5. Соединения
При повороте рулевого колеса налево
торсиона (позиции
(см. рис. 13.4, б) создаваемый водителем
соответствуют пози
крутящий момент передается на торсион 2,
циям рис. 13.4):
верхний конец которого соединен штиф 20 — ведущая шестерня
513
13.1. Гидравлические усилители
том 6 с поворотным золотником, а нижний — с распределительной
втулкой 18 и приводной шестерней рулевого механизма. В результате торсион скручивается подобно стабилизатору при наезде
одного из колес автомобиля на неровность дороги.
При закрутке торсиона золотник вместе с верхней частью торсиона поворачивается в распределительной втулке, изменяя относительное положение пазов золотника и перепускных отверстий
втулки. По мере поворота золотника относительно втулки одни
каналы открываются, а другие закрываются.
Рабочая жидкость поступает через щели, раскрывающиеся при
перемещении приточных кромок, в продольные пазы, затем через
отверстие в кольцевой паз и через трубопровод в правую полость 14
силового цилиндра. На поршень 19 воздействует давление жидкости, что облегчает поворот рулевого колеса.
При поступлении рабочей жидкости в правую полость силового
цилиндра она вытесняется из левой полости в сливную магистраль.
Если отпустить рулевое колесо, распрямляющийся торсион вернет
золотник в нейтральное положение относительно распределительной втулки.
При повороте рулевого колеса направо (см. рис. 13.4, в) рабочая жидкость поступает в левую полость 15 силового цилиндра
и вытесняется из правой.
Электронный блок управления системы Servotronic обрабатывает сигнал скорости автомобиля и изменяет в соответствии с ним
ток управления электромагнитным клапаном 4 (рис. 13.6). При
повышении скорости автомобиля блок управления системы умень6
7
8
5
9
4
3
2
1
10
Рис. 13.6. Блок клапана
управления:
1 — распределительная втулка;
2 — сливная полость; 3 — ограничительный клапан; 4 — электромагнитный клапан; 5 — приточный кольцевой паз; 6 — жиклер; 7 — шарики; 8 — реактивный поршень; 9 — полость над
реактивным поршнем; 10 — центрирующая втулка
514
Глава 13. Рулевое управление
шает ток управления электромагнитным клапаном. В результате
клапан частично открывается и перепускает ограниченное количество рабочей жидкости из приточного кольцевого паза 5 в полость 9
над реактивным поршнем 8. При этом жиклер 6 препятствует сильному оттоку рабочей жидкости на слив, благодаря чему в полости
над реактивным поршнем создается достаточно высокое давление.
В зависимости от его величины изменяется усилие, передаваемое
поршнем на шарики и далее на втулку распределителя. Чем выше
давление рабочей жидкости, тем большие усилия создаются усилителем и тем большие усилия должен прилагать водитель к рулевому колесу.
Действующее на реактивный поршень давление передается на
шарики 7, которые установлены между ним и скошенными поверхностями центрирующей втулки 10, жестко соединенной с распределительной втулкой. Точное центрирование клапана управления
особенно благоприятно при движении автомобиля по прямой. При
вращении клапана управления находящиеся под нагрузкой шарики противодействуют повороту золотника относительно распределительной втулки. Таким образом, гидравлический способ создания реактивных усилий используется для повышения момента на
рулевом колесе до уровня, подбираемого индивидуально для каждой модели автомобиля.
При высоких скоростях движения ток управления снижается
до нуля, вследствие чего электромагнитный клапан открывается
полностью. На реактивный поршень действует максимальное давление, соответствующее его величине в приточном кольцевом
пазе. В результате этого при повороте рулевого колеса на реактивный поршень действует повышенное давление рабочей жидкости.
Если действующее на реактивный поршень давление достигло
установленного для данного автомобиля предела, открывается
ограничительный клапан 3, через который рабочая жидкость перетекает в сливную полость. При этом дальнейший рост давления
прекращается.
При небольшой или нулевой скорости движения сила протекающего через электромагнитный клапан тока достигает максимальной величины, в результате чего электромагнитный клапан 4 закрывается и предотвращает поступление рабочей жидкости в полость 9
над реактивным поршнем. При этом в последней поддерживается
515
13.1. Гидравлические усилители
такое же давление, как и в сливной полости 2, потому что они
соединены между собой посредством жиклера 6. Таким образом,
клапан управления системы Servotronic действует так же, как
обычный клапан с поворотным золотником. Поскольку действие
реактивного поршня отсутствует, для поворота колес автомобиля
требуются относительно небольшие усилия на рулевом колесе.
При воздействии на рулевой механизм силы в противоположном направлении, например в результате наезда на неровность,
усилитель действует как демпфер (рис. 13.7). В этом случае торсион закручивается под действием усилия, передаваемого на него
через рейку и ведущую шестерню. При этом золотник поворачивается из нейтрального положения относительно втулки распределителя. В результате рабочая жидкость поступает под давлением
в ту полость силового цилиндра, которая создает противодействие
движению рейки.
Например, при переезде неровности на колесо автомобиля действует сила FA, которая стремится его повернуть вокруг точки D
(по часовой стрелке). При этом на рейку передается сила FZ, которая поворачивает шестерню и закручивает торсион. В результате
открывается проход рабочей жидкости под давлением в правую
FZ
FR
D
FA
Рис. 13.7. Схема работы гидроусилителя при наезде на препятствие
516
Глава 13. Рулевое управление
полость силового цилиндра, а левая полость сообщается со сливом. Действующая на поршень и рейку реактивная сила FR уравновешивает силу FZ и противодействует, таким образом, повороту
колес автомобиля.
На привод насоса гидроусилителя затрачивается значительная
мощность (5...7 л.с.), поэтому в целях экономии топлива в современных автомобилях применяют гидравлические насосы с приводом не от коленчатого вала, а от электродвигателя, который включается в работу по сигналу блока управления. Такая конструкция
позволяет также повысить долговечность насоса гидроусилителя,
поскольку он работает только во время поворота рулевого колеса.
13.1.3. Гидравлический усилитель рулевого управления
с приводом насоса от электродвигателя
При движении по магистрали традиционный усилитель рулевого управления потребляет большую избыточную мощность из-за
высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя, так как при
малых скоростях поворота рулевого колеса и высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя насос усилителя подает слишком большое количество избыточной рабочей жидкости, которую
приходится сбрасывать через перепускной клапан. Чтобы избежать непроизводительных потерь мощности при работе гидравлического усилителя, вместо механического привода насоса гидроусилителя рулевого управления может применяться электрический
привод (электрогидравлический усилитель).
Система управления обеспечивает работу гидроусилителя. На
современных автомобилях используется электронная система
управления, которая обеспечивает регулирование коэффициента
усиления в зависимости от скорости поворота рулевого колеса
и скорости движения автомобиля. Усилитель с такими характеристиками называется адаптивным усилителем рулевого управления.
Общая схема рулевого управления гидравлического усилителя
рулевого управления с приводом насоса от электродвигателя показана на рис. 13.8.
В этой системе усилие водителя на рулевом колесе поддерживается за счет давления рабочей жидкости, которое создается насосом, приводимым от электродвигателя, т.е. независимо от двигателя
517
13.1. Гидравлические усилители
3
4
5
2
7
8
9
10
СAN
6
СAN Сигнал скорости автомобиля
1
СAN Сигнал частоты вращения вала двигателя
Сигнал скорости поворота
11
Усилитель руля – клемма +30
Усилитель руля – клемма +15
«Корпус»
12
Рис. 13.8. Схема рулевого управления гидравлического усилителя
рулевого управления с приводом насоса от электродвигателя:
1 — датчик усилителя рулевого колеса; 2 — щиток приборов; 3 — датчик спидометра; 4 — контрольная лампа; 5 — блок управления двигателем; 6 — рулевой механизм; 7 — обратный клапан; 8 — бачок для рабочей жидкости; 9 —
редукционный клапан; 10 — шестеренчатый насос; 11 — электродвигатель
насоса; 12 — насосный агрегат
автомобиля. Электродвигатель работает только при включенном зажигании и работающем двигателе автомобиля.
Электрогидравлический усилитель рулевого управления работает в зависимости от скорости поворота рулевого колеса и скорости автомобиля.
518
Глава 13. Рулевое управление
Блок управления усилителем получает сигналы с датчиков
усилителя рулевого колеса 1, скорости автомобиля от датчика 3
и частоты вращения вала двигателя от электронного блока управления двигателем 5 и в зависимости от них изменяет частоту вращения электродвигателя шестеренного насоса и, соответственно,
производительность последнего или объемный расход рабочей
жидкости.
Насосный агрегат представляет собой объединенный блок, включающий гидравлический лопастный или шестеренчатый насос 10,
электродвигатель насоса 11 и бачок 8 для рабочей жидкости. На
насосный агрегат устанавливается электронный блок управления.
Гидравлический узел управления является исполнительным
механизмом усилителя руля. Он включает торсион с поворотным
золотником и распределительной гильзой, силовой цилиндр
с поршнем. Гидравлический узел управления объединен с рулевым механизмом. Шток поршня силового цилиндра является продолжением рейки рулевого механизма.
Датчик усилителя рулевого колеса находится в корпусе поворотного золотника, входящего в состав рулевого механизма. Он
служит для измерения угла поворота рулевого колеса, который используется далее для расчета скорости его поворота. Датчик усилителя является емкостным датчиком, схема которого показана на
рис. 13.9.
Между пластинами 4 девяти малогабаритных конденсаторов
вращается ротор 3, закрепленный на входном валу 2 редуктора рулевого механизма. При вращении вала емкость пластинчатых кон2
3
1
4
5
Рис. 13.9. Емкостный
датчик поворота .
рулевого колеса:
1 — сигнал к блоку управления; 2 — входной вал
с ротором; 3 — ротор; 4 —
пластины конденсаторов;
5 — электросхема датчика
13.1. Гидравлические усилители
519
денсаторов изменяется. Встроенная в датчик электросхема 5 преобразует изменение емкости в сигналы угла и скорости поворота
рулевого колеса, которые поступают на вход блока управления
усилителем рулевого управления.
При выходе этого датчика из строя работоспособность рулевого
механизма сохраняется. В этом случае усилитель переходит на запрограммированный резервный режим работы, однако усилие поворота рулевого колеса при этом возрастает.
Вместо емкостного датчика в системах рулевого управления
с приводом насоса от электродвигателя может использоваться датчик Холла, выполняющий те же функции.
Блок управления усилителем встроен в насосный агрегат. Сигналы емкостного датчика поворота рулевого колеса обрабатываются в блоке управления для регулирования частоты вращения
шестеренчатого насоса в зависимости от скорости поворота рулевого колеса и скорости автомобиля. Требуемая производительность насоса считывается с многопараметровой характеристики,
записанной в памяти блока управления усилителем рулевого механизма. Блок управления распознает неисправности, возникающие
в процессе эксплуатации автомобиля, и регистрирует их в своей
памяти.
Принцип работы. При прямолинейном движении автомобиля
гидравлический узел управления обеспечивает циркуляцию жидкости по кругу (от насоса по каналам напрямую в бачок).
При повороте рулевого колеса происходит закрутка торсиона,
которая сопровождается поворотом золотника относительно распределительной гильзы. По открывшимся каналам жидкость поступает в одну из полостей (в зависимости от направления поворота) силового цилиндра. Из другой полости силового цилиндра
жидкость по открывшимся каналам сливается в бачок. Поршень
силового цилиндра обеспечивает перемещение рейки рулевого механизма. Усилие от рейки передается на рулевые тяги и далее приводит к повороту колес.
При осуществлении поворота на небольшой скорости (при парковке, маневрах в ограниченном пространстве) гидроусилитель
руля работает с наибольшей производительностью. На основании
сигналов датчиков электронный блок управления увеличивает частоту вращения электродвигателя насоса (обеспечивает открытие
520
Глава 13. Рулевое управление
электромагнитного клапана). Соответственно увеличивается производительность насоса. В силовой цилиндр интенсивнее поступает
специальная жидкость. Усилие на рулевом колесе значительно снижается.
С увеличением скорости движения частота вращения электродвигателя насоса снижается (срабатывает электромагнитный клапан и уменьшает поперечное сечение гидросистемы).
Работа гидравлического усилителя осуществляется в пределах
поворота рулевого колеса и ограничивается предохранительным
клапаном.
13.2. Электроусилители рулевого управления
Главным преимуществом электрического привода рулевого
управления перед гидроусилителем является отсутствие гидравлики, а значит, насоса, гидроцилиндра, шлангов. Это позволяет
уменьшить массу усилителя рулевого управления и объем, занимаемый управлением в подкапотном пространстве.
Электромеханический усилитель активно поддерживает возврат
управляемых колес в среднее положение. Эта функция называется
2
3
1
Рис. 13.10. Общее расположение агрегатов рулевого управления с электроусилителем:
1 — электроусилитель; 2 — карданный вал рулевого управления; 3 — рейка
привода рулевого управления
521
13.2. Электроусилители рулевого управления
«активной самоустановкой» колес. Благодаря ее действию водитель лучше чувствует среднее положение рулевого управления,
она облегчает также вождение автомобиля по прямой при воздействии на него различных внешних сил.
Если при движении по прямой на автомобиль действует боковой ветер или поперечное усилие, вызываемое уклоном дорожного
полотна, усилитель обеспечивает постоянный поддерживающий
момент, который освобождает водителя от необходимости создавать реактивные усилия на рулевом колесе.
Общее расположение агрегатов рулевого управления с электроусилителем показано на рис. 13.10 на примере автомобиля Opel
Corsa.
Электроусилитель может приводить вал рулевого управления
на рулевой колонке (рис. 13.11), шестерню привода рейки или непосредственно саму рейку.
7
6
2
3 4
5
8
9
1
Рис. 13.11. Электроусилитель рулевого управления автомобиля
Opel Corsa:
1 — электродвигатель; 2 — червяк; 3 — червячное колесо; 4 — скользящая
муфта; 5 — потенциометр; 6 — кожух; 7 — рулевой вал; 8 — разъем датчика
момента на рулевом валу; 9 — разъем питания электродвигателя
522
Глава 13. Рулевое управление
4
3 2 1
5
6
8
7
Рис. 13.12. Электроусилитель рулевого управления в разрезе:
1 — трехфазный синхронный электродвигатель; 2 — якорь; 3 — обмотка статора; 4 — датчик положения якоря; 5 — червячное колесо; 6 — рулевой вал;
7 — червяк; 8 — муфта
Электроусилитель рулевого управления с приводом рулевого
управления на рулевой колонке в разрезе показан на рис. 13.12.
Электроусилитель через червячную передачу связан с валом
рулевого управления. В зависимости от полярности напряжения
питания электродвигатель вращается в ту или иную сторону, помогая водителю поворачивать колеса. Крутящий момент определяется величиной силы тока по сигналу блока управления, действующего согласно заложенной в него программе и сигналам,
поступающим от соответствующих датчиков.
Вал электродвигателя при подаче на двигатель напряжения
помогает поворачивать вал привода рулевого колеса через червяк
и червячное колесо. Для поддержания постоянной обратной связи
с дорогой входной и выходной валы электроусилителя соединены
друг с другом через торсион. Приложение усилия к рулевому
управлению как со стороны водителя, так и со стороны дороги
приводит к закручиванию торсиона до 3° и изменению взаимной
ориентации входного и выходного валов. Это служит сигналом
для включения в работу электроусилителя. В зависимости от угла
поворота рулевого колеса и скорости автомобиля электродвигатель подкручивает выходной вал, снижая усилие. Работает электродвигатель и при обратном ходе, помогая возвращать колеса
автомобиля и рулевое колесо в первоначальное положение. Торсион при поворотах всегда остается немного скрученным, гарантируя
523
13.2. Электроусилители рулевого управления
тем самым на руле то усилие, которое необходимо водителю, чтобы
чувствовать дорогу.
Один из датчиков находится на торсионе, соединяющем половинки разрезанного рулевого вала, и следит за его закручиванием.
С ростом усилия на руле сильнее закручивается торсион — больший ток идет на электромотор усилителя, что, соответственно,
увеличивает помощь водителю.
Второй датчик следит за скоростью автомобиля. Чем она меньше,
тем эффективнее помощь в повороте рулевого управления, и наоборот, а после 75 км/ч усилитель вообще выключается, чтобы не
создавать дополнительного сопротивления, редуктор и электромотор разъединяются.
Третий датчик контролирует частоту вращения коленчатого
вала двигателя и следит, чтобы усилитель работал только одновременно с ним. Это делается в целях экономии электроэнергии,
потому что электроусилитель может потреблять до 105 А.
Производители автомобилей Audi предлагают систему реечного
электроусилителя с двумя шестернями (рис. 13.13).
2
Момент усиления
3
4
1
7
5
6
Момент на рулевом
колесе
Рис. 13.13. Схема реечного электроусилителя с двумя шестернями:
1 — датчик момента на рулевом колесе; 2 — ведущая шестерня 1; 3 — ведущая
шестерня 2; 4 — электродвигатель усилителя; 5 — электронный блок усилителя; 6 — датчик угла поворота рулевого колеса; 7 — торсион вала рулевого
управления
524
Глава 13. Рулевое управление
Усилитель действует на рейку рулевого механизма через шестерню 3, которая установлена параллельно с ведущей шестерней 2 рулевого механизма. Шестерня 3 приводится от электродвигателя 4. Передаваемый на шестерню 2 рулевого механизма
крутящий момент измеряется датчиком момента 1. Величина развиваемого усилителем крутящего момента устанавливается электронным блоком управления 5 в зависимости от момента на рулевом колесе, скорости автомобиля, угла поворота колес, скорости
поворота рулевого вала и других вводимых в него данных.
Электродвигатель и редуктор размещены в общем алюминиевом корпусе 2 (рис. 13.14). На конце вала двигателя нарезан червяк 3.
Червячная передача служит для привода шестерни усилителя.
Между червячным колесом и шестерней установлен демпфер 5,
который исключает резкое нарастание усилия на рейке при включении усилителя. Положение (угол поворота) ротора электродвигателя определяется с помощью датчика 6 угла поворота (см.
рис. 13.13). Этот датчик расположен под возвратным и скользящим кольцами подушки безопасности, установлен на рулевой колонке между подрулевыми переключателями и рулевым колесом.
Датчик генерирует сигнал, соответствующий углу поворота рулевого колеса.
Основными деталями датчика угла поворота рулевого колеса
являются кодирующий диск с двумя кольцами и фотоэлектриче2
1
5
4
3
Рис. 13.14. Червячная передача привода шестерни усилителя:
1 — электродвигатель; 2 — корпус; 3 — червяк; 4 — вал привода; 5 — демпфер
525
13.2. Электроусилители рулевого управления
1
2
Cегмент 3
72
Cегмент 4
Cегмент 5
Рис. 13.15. Схема датчика
угла поворота рулевого
колеса:
Cегмент 2
1 — внешнее кольцо абсолютных значений; 2 — внутреннее кольцо приращений; 3 —
фотоэлектрическая пара
Cегмент 1
3
ские пары, каждая из которых содержит источник света и фотоэлемент (рис. 13.15). На кодирующем диске предусмотрены два
кольца: внешнее кольцо 1 с шестью фотоэлектрическими парами,
которое служит для определения абсолютных значений угла поворота рулевого колеса, и внутреннее кольцо 2 — для определения
приращений этого угла. Кольцо приращений разделено на пять
сегментов по 72°. Оно используется в сочетании с одной фотоэлектрической парой. В пределах каждого из сегментов кольцо имеет
несколько вырезов. Чередование вырезов в пределах одного сегмента не изменяется, а в отдельных сегментах отличается. Благодаря этому осуществляется кодирование сегментов.
Датчик угла поворота рулевого колеса позволяет отсчитывать
угол в пределах до 1044°. Отсчет угла производится путем суммирования числа градусов. При переходе через метку, соответствующую
360°, датчик регистрирует завершение поворота на один полный
оборот. Конструкцией рулевого механизма предусмотрена возможность поворота рулевого колеса на 2,76 оборота.
На рулевом колесе установлен датчик момента (рис. 13.16).
Действие этого датчика основано на магниторезистивном эффекте. На рулевом валу 1 установлено магнитное кольцо 2, кото-
526
Глава 13. Рулевое управление
1
2
3
6
Рис. 13.16. Датчик момента
на рулевом колесе
5
4
рое жестко связано с верхней частью торсиона 6. Чувствительный
элемент 3 датчика соединен с валом 4 шестерни рулевого механизма и связан, таким образом, с нижней частью торсиона. Сигнал
снимается с датчика через витой кабель 5. Торсион закручивается
точно в соответствии с усилиями, прилагаемыми к рулевому валу.
При этом магнитное кольцо 2 перемещается относительно чувствительного элемента 3 датчика. В результате действия магниторезистивного эффекта изменяется сопротивление чувствительного
элемента, величина которого определяется блоком управления.
Если системой управления обнаружен дефект датчика, она производит «мягкое» отключение усилителя. При этом усилитель не
отключается полностью, а переводится на режим управления по
резервному сигналу, который образуется в блоке управления из
сигналов угла поворота рулевого вала и частоты вращения ротора
двигателя усилителя.
Принцип действия усилителя рулевого управления с электроусилителем. Водитель поворачивает рулевое колесо, прикладывая
к нему определенный крутящий момент. Под действием этого момента закручивается торсион. Датчик 6 угла поворота на рулевом
колесе (см. рис. 13.13) измеряет величину его закрутки и направляет соответствующий сигнал на вход блока управления 5. При
этом с датчика 6 поворота колеса поступают сигналы, соответствующие моментальному углу поворота и скорости поворота рулевого
колеса.
13.2. Электроусилители рулевого управления
527
Блок управления рассчитывает крутящий момент, который должен развивать двигатель усилителя в зависимости от момента на
рулевом колесе, скорости автомобиля, частоты вращения вала двигателя, угла и скорости поворота рулевого вала, а также с учетом
записанных в его памяти характеристик. Рассчитанная величина
служит для управления электродвигателем усилителя. Перемещение рейки рулевого механизма происходит под действием суммарного усилия, создаваемого в результате преобразования как крутящего момента на рулевом колесе, так и момента двигателя
усилителя.
Если водитель перестал вращать рулевое колесо или отпустил
его, торсион полностью раскручивается. При этом момент на шестерне рулевого механизма снижается до нуля. Ввиду определенной геометрии подвески при повороте колес возникают реактивные усилия, которые стремятся вернуть их в исходное положение.
Обычно эти силы настолько малы, что не могут преодолеть силы
трения в механизмах рулевого управления и вернуть колеса в среднее положение. Такая ситуация распознается блоком управления
по сигналу датчика 6 (см. рис. 13.13) поворота рулевого вала.
Блок управления рассчитывает крутящий момент, который
должен развивать электродвигатель усилителя для поворота колес
автомобиля в среднее положение. Величина его зависит от момента
на рулевом колесе, скорости автомобиля, частоты вращения вала
двигателя, угла и скорости поворота рулевого вала; она определяется с учетом записанных в памяти блока управления характеристик.
В результате включается электродвигатель усилителя, который
поворачивает колеса автомобиля в среднее положение.
При отключенной или неисправной аккумуляторной батарее
и работающем двигателе блок управления бортовой сетью обеспечивает питание электромеханического усилителя от генератора.
При необходимости отключаются определенные потребители электроэнергии, имеющие более низкий приоритет подключения к сети.
При отключении усилителя по причине системной неисправности
рулевое управление полностью сохраняет свою работоспособность,
а автомобиль — управляемость.
Производители автомобилей BMW в конструкции своих автомобилей начали применять активное рулевое управление. Суть
528
Глава 13. Рулевое управление
такого управления заключается в том, что рулевой вал не сплошной, а разделенный, и соединяется он посредством сдвоенного
планетарного редуктора. Корпус редуктора может поворачиваться
с помощью специального электродвигателя по команде электронного блока управления. В зависимости от скорости движения автомобиля электронный блок управления меняет передаточное отношение рулевого механизма — увеличивая усилия при движении
на шоссе и уменьшая при парковке. В последнем случае при изменении передаточного отношения редуктора уменьшается необходимость поворота рулевого колеса на большие углы.
В более поздних конструкциях Audi, например Sportback, в рулевом управлении используется электроусилитель с электродвигателем, коаксиально расположенным вокруг зубчатой рейки (рис. 13.17).
Зубчатая рейка разделена на две части, одна из которых представляет собой ходовой винт 5, а другая — рейку 2. Ротор электродвигателя 4 соединен с гайкой 6 с циркулирующими шариками,
которая входит в зацепление с частью рейки 5. Ротор электродвигателя конструктивно представляет собой полый цилиндр, устанавливаемый на зубчатой рейке. Ротор вращает гайку, которая, вращаясь, помогает перемещать рейку.
Зубчатая рейка, электродвигатель, механизм винт — гайка с циркулирующими шариками, электронный блок управления и все необходимые датчики совмещены в одном компактном узле. Блок
управления 7 на основании получаемой информации о положении ротора и величине усилия (момента) на рулевом колесе вычисляет необходимые напряжения на отдельных фазах. Для определения этого момента служит датчик момента поворота рулевого
колеса 8. Возникающие в результате в фазовых цепях токи создают определенный вращающий момент электродвигателя, который
зависит от силы тока. Основой для расчета необходимого усиливающего момента рулевого механизма является значение момента,
с которым водитель поворачивает рулевое колесо. Как и в обычном рулевом управлении с гидроусилителем, рулевой вал и валшестерня соединены между собой торсионным стержнем. Когда
водитель поворачивает рулевое колесо, торсионный стержень закручивается. При этом рулевой вал оказывается повернутым относительно вала — шестерни на угол, величина которого зависит
от момента, прилагаемого водителем к рулевому колесу. Угол поворота колеса измеряет датчик 9 угла поворота рулевого колеса.
529
13.2. Электроусилители рулевого управления
а
2
1
3
4
5
8
7
6
Направление вращения
рулевого колеса
водителем
Направление вращения
ротора с гайкой
механизма винт — гайка
9
Регулирующее усилие,
действующее на рулевую
рейку как сумма усилий, при
лагаемых водителем и усили
телем рулевого управления
б
6
4
5
2
3
Рис. 13.17. Электроусилитель с электродвигателем, коаксиально
расположенным вокруг зубчатой рейки:
а — общая схема; б — детали; 1 — тяга; 2 — зубчатая часть рейки; 3 — валшестерня; 4 — электродвигатель электроусилителя рулевого управления
с датчиком положения ротора; 5 — ходовой винт рейки; 6 — гайка с циркулирующими шариками; 7 — блок управления; 8 — датчик момента поворота рулевого колеса; 9 — датчик угла поворота рулевого колеса
Преобразование вращательного движения ротора электродвигателя в поступательное движение зубчатой рейки осуществляется
с помощью механизма винт — гайка с циркулирующими шариками.
Современные системы электроусилителей ограничены по эффективной мощности при применяемом бортовом напряжении 12 В,
поэтому на современном этапе такие системы находят применение
только на легковых автомобилях.
Механизм блокировки рулевого вала с электроприводом. Отдельные производители автомобилей для блокировки рулевого
вала вместо ручной блокировки применяют электропривод. В качестве примера можно привести автомобиль Volkswagen Phaeton.
530
Глава 13. Рулевое управление
1
Выключение
блокировки
4
7
6
5
2
Включение
блокировки
3
Рис. 13.18. Механизм блокировки рулевого вала с электроприводом:
1 — блокирующая втулка; 2 — коническая блокирующая шестерня; 3 — блок
противоугонной системы; 4 — червячная передача; 5 — блок управления; 6 —
электродвигатель блокировки рулевого вала; 7 — рейка
Механизм блокировки рулевого вала с электроприводом этого
автомобиля (рис. 13.18) образует встроенную в рулевую колонку
систему с электрическим разъемом для подключения к блоку управления противоугонной системой и с механической связью с рулевым валом.
При включении электромотора начинает перемещаться рейка 7, приводимая через червячную передачу 4. Блокирование рулевого вала производится в результате перемещения блокирующей втулки 1 с внутренними зубьями до упора их в коническую
блокирующую шестерню 2. Снятие блокировки происходит в результате отвода втулки от шестерни. Включение и выключение
блокировки производится по командам электронных блоков управления.
13.3. Рулевое управление с двумя
управляемыми осями
Устойчивость и управляемость автомобиля при поворотах во
многом зависит от направления следования задней оси по колее
передней, которое необходимо для уменьшения угла поворота автомобиля и износа его шин. Применение управляемой задней оси
13.3. Рулевое управление с двумя управляемыми осями
531
позволяет уменьшать поперечные ускорения при повороте автомобиля, что повышает его устойчивость. Системы управления всеми
четырьмя колесами значительно улучшают маневрирование автомобиля. Во-первых, повышается чувствительность автомобиля к повороту рулевого колеса. Ведь при тихой езде по городским улочкам лучше иметь «острое» рулевое управление, чтобы не вращать
рулевое колесо на несколько оборотов при каждом маневре. На
автостраде же «острое» рулевое управление может вызвать проблемы — автомобиль будет слишком резко реагировать даже на
небольшие подруливания. Во-вторых, улучшается маневрирование автомобиля при парковке или развороте в стесненных городских условиях, т.е. уменьшается радиус поворота. И в-третьих, повышается курсовая устойчивость при резких маневрах на высокой
скорости.
Поворот задних колес в ту же сторону, что и передних, позволяет сохранить направление и скорость движения центра масс автомобиля, но значительно увеличить мгновенный радиус поворота. При этом уменьшаются действующие на автомобиль боковые
силы и, как следствие, повышается курсовая устойчивость.
При движении на малой скорости задние колеса поворачиваются
в противофазе с передними (рис. 13.19) и мгновенный центр поворота уменьшается, а при движении на большой скорости в быстром
МЦП
(4WS)
МЦП
(обычный автомобиль)
Рис. 13.19. Радиус поворота обычного автомобиля (МЦП — мгновенный центр поворота) и автомобиля со всеми управляемыми
колесами (4WS)
532
Глава 13. Рулевое управление
вираже или при перестроении из ряда в ряд на автостраде задние
колеса, наоборот, поворачиваются на небольшой угол в ту же сторону, что и передние. К примеру, автомобиль, совершая маневр на
автостраде, будет словно не поворачивать, а переходить из ряда
в ряд параллельно полосам разметки, при этом двигаться по дуге
меньшей кривизны и большего радиуса. Момент, поворачивающий автомобиль вокруг вертикальной оси, будет меньше — стало
быть, уменьшится и риск потери курсовой устойчивости и развития заноса задней оси.
В связи с этим некоторые производители вносят в конструкцию автомобиля управление задней осью. Одной из первых такую
конструкцию механического управления задней осью представила
фирма Mitsubishi (рис. 13.20).
В общую систему управления автомобилей входят рулевой механизм 3 с гидроусилителем (силовым цилиндром) управления
передней осью, масляный насос 1, масляный насос 7 управления
задней осью, гидрораспределитель управления задней осью с золот2
1
3
Управляющее
давление
4
Давление
системы
5
6
8
7
Рис. 13.20. Механическое
управление задней осью:
1 — масляный насос; 2 — ресивер; 3 — рулевой механизм с гидроусилителем; 4 — рулевое колесо; 5 — золотник; 6 — редукционный клапан; 7 — масляный
насос задней оси; 8 — силовой
цилиндр
13.3. Рулевое управление с двумя управляемыми осями
533
ником 5 и редукционным клапаном 6, силовой цилиндр 8 управления задней осью, рулевые тяги поворота передней и задней осью.
При повороте передних колес управляющее давление силового
цилиндра передних колес передается в силовой цилиндр задних
колес. При этом учитывается давление в системе, скорость поворота и уровень боковой нагрузки передней оси. Управляющее давление воздействует на золотник гидрораспределителя задней оси.
В зависимости от этого золотник, передвигаясь, открывает на
определенную величину масляные каналы, по которым рабочая
жидкость подается в силовой цилиндр управления задней осью.
Поршень силового цилиндра, передвигаясь, воздействует на рулевые тяги задней оси, поворачивающие ее на необходимый угол.
По мере развития электронных систем управления их стали
применять и в управлении задней оси (4WS). Примером может
служить электронно-управляемая задняя ось автомобиля Toyota
Aristo, которая в 1991 г. сменила механическую. Общий вид ее показан на рис. 13.21, а схема исполнительного механизма — на
рис. 13.22. Подобная система применяется и в автомобилях BMW.
Электромеханический
исполнительный механизм
Рис. 13.21. Общий вид управляемой задней оси с электромеханическим
исполнительным механизмом
534
Глава 13. Рулевое управление
1
2
3
6
4
5
5
1
7
6
8
9
10
Рис. 13.22. Электромеханический исполнительный механизм поворота
задней оси:
1 — пустотелый вал ротора; 2 — статор; 3 — планетарная коробка передач;
4 — гайка шпинделя; 5 — сателлит; 6 — солнечная шестерня; 7 — шпиндель
(винт); 8 — шлицевая часть вала шпинделя; 9 — предохранитель от прокручивания шпинделя; 10 — водило планетарной передачи
Задние колеса здесь поворачиваются с помощью специального
рулевого механизма с электроприводом, встроенного в довольно
сложную заднюю подвеску. Управляет им специальный электронный блок, который получает от нескольких датчиков информацию
о скорости автомобиля, угле поворота руля, передних и задних колес и т.д.
Исполнительный механизм состоит из электродвигателя (статора и ротора), планетарной передачи и вала шпинделя, воздействующего на рулевые тяги задней оси. Управляет электродвигателем электронный блок управления, воспринимающий сигналы
от различных датчиков рулевого управления. В зависимости от
величины и времени подачи напряжения на электродвигатель изменяется скорость и время вращения ротора электродвигателя.
Для увеличения крутящего момента и толкающих сил шпинделя
в исполнительном механизме применяется планетарная передача.
13.3. Рулевое управление с двумя управляемыми осями
535
При подаче напряжения на электродвигатель пустотелый вал 1
ротора начинает вращаться. На валу ротора имеется солнечная шестерня 6, которая через сателлиты 5 и водило 10 планетарной передачи приводит во вращение связанную с ним гайку 4 шпинделя.
Вал шпинделя, установленный внутри пустотелого вала ротора,
через винт 7 начинает совершать возвратно-поступательные движения, воздействуя на рулевые тяги задней оси. Для исключения
прокручивания вала шпинделя предусмотрен специальный предохранитель 9.
Работает система 4WS в двух режимах. На малой скорости задние колеса поворачиваются в сторону, противоположную передним, и при маневре той же кривизны рулевое колесо нужно будет
вращать на меньший угол. Это повышает чувствительность рулевого управления, и автомобиль становится более маневренным.
К примеру, при развороте передние колеса будут вывернуты до
упора влево, а задние — вправо на угол до 8°. Радиус разворота при
этом уменьшится на 15 % по сравнению с радиусом разворота
обычного автомобиля и составит всего 4,7 м.
ГЛАВА
14
ТОРМОЗНАЯ СИСТЕМА
Тормозная система служит для снижения скорости движения
автомобиля с желаемым замедлением вплоть до полной остановки
и удержания его в неподвижном состоянии. На легковых автомобилях используют рабочую систему для снижения скорости движения вплоть до полной остановки и стояночную систему, служащую для удержания автомобиля на месте и выполняющую роль
запасной системы при выходе из строя рабочей системы.
В качестве тормозных механизмов наиболее широко применяются фрикционные. На легковых автомобилях большого класса
могут использоваться только дисковые тормозные механизмы, малого и среднего — дисковые на передних колесах, барабанные на
задних. Дисковые тормозные механизмы выполняются с неподвижной или плавающей скобой.
Тормозные системы современных легковых автомобилей имеют
гидравлический, электрический или комбинированный привод.
Для управления тормозными системами с целью повышения
эффективности торможения применяются регуляторы тормозных
сил и антиблокировочные системы различного конструктивного
исполнения. Вместе с антиблокировочными системами на автомобилях устанавливаются противобуксовочные системы, система
стабилизации управления автомобилем и др.
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
При прямолинейном движении во время торможения автомобиля на его колесо действуют разные силы: вес автомобиля, тормозная сила и боковая сила (рис. 14.1). Величина сил зависит от
множества факторов, таких как скорость движения автомобиля,
537
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
r
vF
G
G — вес автомобиля; FB — тормозная сила; FS — боковая сила;
vF — скорость автомобиля; α —
угол увода; ω — угловая скорость
FB
vF
Рис. 14.1. Силы, действующие
на колесо при торможении:
FS
размеры колес, состояние и конструкция шин, состояние дорожного полотна, конструкция тормозной системы и ее техническое состояние.
Во время прямолинейного движения автомобиля с постоянной
скоростью разницы в скоростях вращения колес не возникает, так
же как и разницы между приведенной скоростью движения автомобиля vF и согласованной с ней усредненной скоростью vR вращения колес, т.е. vF = vR. Под усредненной скоростью вращения колес
понимается величина
vR = (vR1 + vR2 + vR3 + vR4)/4,
где vR1 ... vR4 — скорость вращения каждого колеса в отдельности.
Но как только начинается процесс интенсивного торможения,
приведенная скорость автомобиля vF начинает превышать усредненную скорость vR вращения колес, так как кузов «обгоняет» колеса под действием силы инерции массы автомобиля, т.е. vF > vR.
В такой ситуации между колесами и дорогой возникает явление равномерного умеренного скольжения. Это скольжение является рабочим параметром тормозной системы и определяется как
λ = (vF − vR)/vF ⋅ 100 %.
Физически рабочее скольжение, в отличие от аварийного юза,
реализуется за счет прогибания протектора колесных шин, сдвига
мелких фракций на поверхности дороги и амортизации автомо-
538
Глава 14. Тормозная система
бильной подвески. Эти факторы удерживают автомобиль от юза
и отображают полезную суть рабочего скольжения колеса при его
торможении. Ясно, что при этом замедление вращения колеса происходит постепенно и управляемо, а не мгновенно, как при блокировке.
Величина λ называется коэффициентом скольжения и измеряется в процентах. Если λ = 0 %, то колеса вращаются свободно, без
воздействия на них дорожного сопротивления трению. Коэффициент скольжения λ = 100 % соответствует юзу колеса, когда оно
переходит в заблокированное состояние. При этом значительно
снижаются тормозная эффективность, устойчивость и управляемость автомобиля при торможении.
При появлении эффекта рабочего скольжения, при котором
все еще имеет место нормальное качение колес, между ними и дорогой возникает равномерно возрастающее сопротивление трению,
которое выражается коэффициентом сцепления в направлении
движения µHF, является функцией от рабочего скольжения λ и создает силу торможения автомобиля FB = KµHFG, где K — конструктивный коэффициент пропорциональности, зависящий от состояния
протектора шин, тормозных колодок, тормозных дисков и тормозных суппортов.
На рис. 14.2 представлена зависимость величины относительного скольжения колеса от коэффициента сцепления в направлении движения µHF и коэффициента сцепления в поперечном направлении µS при торможении на сухом бетонном покрытии.
Как видно из рис. 14.2, величина относительного скольжения
колеса λ достигает своего максимального значения при определенных значениях коэффициента сцепления в направлении движения
µHF при уменьшении коэффициента сцепления в поперечном направлении µS. Для большинства дорожных покрытий при значениях λ в интервале от 10 до 30 % µHF достигает максимальной величины и это значение называют критическим (λкp). В этих пределах
и коэффициент сцепления в поперечном направлении µS имеет достаточно высокое значение, что обеспечивает устойчивое движение
автомобиля при торможении, если на автомобиль действует боковая сила.
Вид кривых µHF и µS зависит в значительной степени от типа
и состояния дорожного покрытия и шин.
HF, S
Устойчивый
диапазон
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
Нестабильный диапазон
1,0
HF
0,8
0,6
0,4
Состояние
свободного
качения
0,2
0
0
20
S для 4
539
Рис. 14.2. Зависимость коэффициента сцепления от
скольжения колес:
µS — коэффициент сцепления
в поперечном направлении;
µHF — коэффициент сцепления
в направлении движения; λ —
величина относительного скольжения колеса
Блокировка
40
60
80 %
Важно заметить, что при малых λ (от 0 до 7 %) сила торможения линейно зависит от скольжения.
При экстренном торможении значительное усилие на педаль
тормоза может вызвать блокировку колес. Сила сцепления шин
с дорожным покрытием при этом резко ослабевает, и водитель теряет управление автомобилем.
Антиблокировочные системы (ABS — Antilock Braking System)
тормозов призваны обеспечить постоянный контроль за силой сцепления колес с дорогой и соответственно регулировать в каждый
данный момент тормозное усилие, прилагаемое к каждому колесу.
ABS производит перераспределение давления в ветвях гидропривода колесных тормозов так, чтобы не допустить блокирования
колес и вместе с тем достичь максимальной силы торможения без
потери управляемости автомобиля.
Основной задачей ABS является поддержание в процессе торможения относительного скольжения колес в узких пределах
вблизи λкp. В этом случае обеспечиваются оптимальные характеристики торможения. Для этой цели необходимо автоматически
регулировать в процессе торможения подводимый к колесам тормозной момент.
Существует много разнообразных конструкций ABS, которые решают задачу автоматического регулирования тормозного момента.
540
Глава 14. Тормозная система
1
Управляемая
переменная
3
2
Управляющая
переменная
Контроли
руемая
переменная
4
Управляющее
устройство
5
Контролируемая система
Внешнее воздействие
Рис. 14.3. Схема управления ABS:
1 — исполнительный механизм; 2 — главный тормозной цилиндр; 3 — колесный тормозной цилиндр; 4 — блок управления; 5 — датчик вращения скорости колеса
Независимо от конструкции ABS (рис. 14.3) должна включать следующие элементы:
датчики, функцией которых является выдача информации,
в зависимости от принятой системы регулирования, об угловой
скорости колеса, давлении рабочего тела в тормозном приводе, замедлении автомобиля и др.;
электронный блок управления, в который поступает информация от датчиков и который после логической ее обработки дает
команду исполнительным механизмам;
исполнительные механизмы (модуляторы давления), которые в зависимости от поступившей из блока управления команды
снижают повышают или удерживают на постоянном уровне давление в тормозном приводе колес.
Процесс регулирования с помощью ABS торможения колеса —
циклический. Связано это с инерционностью самого колеса, привода, а также элементов ABS. Качество регулирования оценивается по тому, насколько ABS обеспечивает скольжение тормозящего
колеса в заданных пределах. При большом размахе циклических
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
541
колебаний давления нарушается комфортабельность при торможении, «дергание», а элементы автомобиля испытывают дополнительные нагрузки. Качество работы ABS зависит от принятого
принципа регулирования, а также от быстродействия системы
в целом. Быстродействие определяет циклическую частоту изменения тормозного момента. Важным свойством ABS должна быть
возможность приспосабливаться к изменению условий торможения (адаптивность) и, в первую очередь, к изменению коэффициента сцепления в процессе торможения.
Разработано большое число принципов (алгоритмов функционирования), по которым работают ABS. Они различаются по сложности, стоимости реализации и др. Среди них наиболее широко
применяется алгоритм функционирования по замедлению тормозящего колеса.
Тормозная динамика автомобиля с ABS зависит от принятой
схемы установки элементов этой системы. С точки зрения тормозной эффективности наилучшей является схема с автономным регулированием каждого колеса (рис. 14.4, а). Для этого необходимо
установить на каждое колесо датчик, а в тормозном приводе — модулятор давления и блок управления. Однако эта схема наиболее
сложная и дорогостоящая.
Существуют более простые схемы ABS. На рис. 14.4, б показана схема ABS с регулируемым торможением двух задних колес,
в которой используются два колесных датчика угловых скоростей
и один блок управления. В такой схеме применяют так называемое
низко- или высокопороговое регулирование. Низкопороговое регулирование предусматривает управление тормозящим колесом,
находящимся в худших по сцеплению условиях («слабым» колесом). В этом случае тормозные возможности «сильного» колеса
недоиспользуются, но создается равенство тормозных сил, что способствует сохранению курсовой устойчивости в случае торможения при некотором снижении тормозной эффективности. Высокопороговое регулирование, т.е. управление колесом, находящимся
в лучших по сцеплению условиях, дает более высокую тормозную
эффективность, хотя устойчивость при этом несколько снижается.
«Слабое» колесо при таком способе регулирования циклически
блокируется.
542
Глава 14. Тормозная система
а
б
в
г
— Блок управления
— Датчик
— Модулятор
Рис. 14.4. Схемы установки ABS на автомобиле:
а — с автономным регулированием каждого колеса; б — с регулируемым торможением задних колес; в — с датчиком угловой скорости на карданном валу;
г — с датчиком угловых скоростей на каждом колесе
Еще более простая схема приведена на рис. 14.4, в. Здесь используются один датчик угловой скорости, размещенный на карданном валу, один модулятор давления и один блок управления.
Эта схема по сравнению с предыдущей имеет меньшую чувствительность.
543
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
На рис. 14.4, г приведена схема с датчиками угловых скоростей
на каждом колесе, двумя модуляторами, двумя блоками управления. В ней может применяться как низко-, так и высокопороговое
регулирование, часто используется смешанное регулирование (например, низкопороговое для колес передней оси и высокопороговое для колес задней оси). По сложности и стоимости эта схема
занимает промежуточное положение между рассмотренными.
Процесс работы ABS может проходить по двух- или трехфазовому циклу. При двухфазовом цикле: первая фаза — нарастание
давления, вторая фаза — сброс давления. При трехфазовом цикле:
первая фаза — нарастание давления, вторая — сброс давления, третья — поддержание давления на постоянном уровне.
В настоящее время более распространены ABS, работающие
по трехфазовому циклу. Примером такой системы является ABS
2S фирмы Bosch.
Эта система (рис. 14.5) встраивается в качестве дополнительной в обычную тормозную систему. Между главным тормозным
цилиндром и колесными цилиндрами устанавливаются нагнетательные (Н) и разгрузочные (Р) электромагнитные клапаны, которые
7
8
8
6
7
6
1
2
H/P
4
3
H/P
9
10
5
H/P
6
7
H/P
8
6
8
Рис. 14.5. Функциональная схема ABS Bosch 2S:
7
1 — блок управления; 2 — модулятор; 3 — главный тормозной цилиндр; 4 —
бачок; 5 — электрогидронасос; 6 — колесный цилиндр; 7 — ротор колесного
датчика; 8 — колесный индуктивный датчик; 9 — сигнальная лампа; 10 — регулятор тормозных сил; Н/Р — нагнетательный и разгрузочный электромагнитные клапаны
544
Глава 14. Тормозная система
либо поддерживают на постоянном уровне, либо снижают давление в приводах колес или в контурах. Электромагнитные клапаны приводятся в действие блоком управления, обрабатывающим
информацию, поступающую от четырех колесных датчиков.
Блок управления, куда непрерывно поступают данные о скорости вращения каждого колеса и ее изменениях, определяет момент
возникновения блокировки, затем, при необходимости, производит
сброс давления, включает гидронасос, который возвращает часть
тормозной жидкости обратно в питательный бачок главного цилиндра.
В модуляторе ABS (рис. 14.6) скомпонованы электромагнитные клапаны, гидронасос с аккумуляторами давления жидкости,
реле электромагнитных клапанов и реле гидронасоса.
2
3
4
1
5
8
6
7
Рис. 14.6. Электрогидравлический модулятор:
1 — электромагнитные клапаны; 2 — реле гидронасоса; 3 — реле электромагнитных клапанов; 4 — электрический разъем; 5 — электродвигатель гидронасоса; 6 — радиальный поршневой элемент насоса; 7 — аккумулятор давления;
8 — глушитель
545
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
Гидронасосы обратной подачи электрогидравлического модулятора могут быть как одноступенчатыми, так и двухступенчатыми (рис. 14.7).
В одноступенчатом насосе обратной подачи ABS (рис. 14.7,
а, б) весь цикловой объем тормозной жидкости засасывается и протекает через трубопроводы за один ход поршня (из ВМТ в НМТ).
Необходимое для этого разрежение всасывания достаточно высокое
и возрастает с увеличением вязкости тормозной жидкости при низких температурах. Вследствие этого возникают кавитация и связанные с ней потери в производительности насоса.
В двухступенчатом насосе обратной подачи ABS (рис. 14.7,
в, г) пространство за поршнем образует вторую рабочую камеру.
Засасывание тормозной жидкости осуществляется в два приема
и происходит как во время прямого, так и обратного хода поршня, что увеличивает вдвое объем засасываемой жидкости. Таким
а
3
б
4
2
5
в
6
г
1
Рис. 14.7. Гидронасос обратной подачи и схема его работы:
а — всасывание рабочей жидкости одноплунжерным гидронасосом; б — нагнетание рабочей жидкости одноплунжерным гидронасосом; в — всасывание
рабочей жидкости двухплунжерным гидронасосом; г — нагнетание рабочей жидкости одноплунжерным гидронасосом; 1 — первая рабочая камера; 2 — линия
всасывания; 3 — линия нагнетания; 4 — поршень; 5 — цилиндр; 6 — вторая
рабочая камера
546
Глава 14. Тормозная система
образом, весь цикловой объем засасываемой жидкости протекает
через трубопровод непрерывно и необходимое для обеспечения
этого разрежение засасывания оказывается ниже, что предотвращает появление кавитации.
Работа системы ABS Bosch 2S происходит по программе, подразделяющейся на три фазы: нормальное или обычное торможение; удержание давления на постоянном уровне; сброс давления.
Фаза нормального торможения (рис. 14.8, а). При обычном
торможении напряжение на электромагнитных клапанах отсутствует, из главного цилиндра тормозная жидкость под давлением
свободно проходит через открытые электромагнитные клапаны
и приводит в действие тормозные механизмы колес. Гидронасос не
работает.
Фаза удержания давления на постоянном уровне (рис. 14.8, б).
При появлении признаков блокировки одного из колес ЭБУ, получив соответствующий сигнал от колесного датчика, переходит
к выполнению программы цикла удержания давления на постоянном уровне путем разъединения главного и соответствующего колесного цилиндра. На обмотку электромагнитного клапана подается ток силой 2 А. Поршень клапана перемещается и перекрывает
поступление тормозной жидкости из главного цилиндра. Давление в рабочем цилиндре колеса остается неизменным, даже если
водитель продолжает нажимать на педаль тормоза.
Фаза сброса давления (рис. 14.8, в). Если опасность блокировки колеса сохраняется, ЭБУ подает на обмотку электромагнитного
клапана ток большей силы — 5 А. В результате дополнительного
перемещения поршня клапана открывается канал, через который
тормозная жидкость сбрасывается в аккумулятор давления жидкости. Давление в колесном цилиндре падает. ЭБУ выдает команду
на включение гидронасоса, который отводит часть жидкости из аккумулятора давления. Педаль тормоза приподнимается, что ощущается по ее биению.
Индуктивный колесный датчик, применяемый в ABS, аналогичен датчику, применяемому в электронных системах впрыска и описанному выше (см. рис. 6.1).
Индуктивные датчики могут крепиться на валу привода колеса, на валу привода конических шестерен для заднеприводных моделей автомобиля, на поворотных цапфах (рис. 14.9, а) и внутри
ступицы колеса (рис. 14.9, б).
547
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
а
78
M
2
3
1
9
4
5
6
б
M
2A
в
M
5A
Рис. 14.8. Фазы торможения:
а — фаза нормального торможения; б — фаза удержания давления на постоянном уровне; в — фаза сброса давления; 1 — ротор колесного датчика; 2 —
колесный датчик; 3 — колесный (рабочий) цилиндр; 4 — электромагнитный
клапан; 5 — электрогидравлический модулятор; 6 — аккумулятор давления;
7 — нагнетательный насос; 8 — главный тормозной цилиндр; 9 — блок управления
548
Глава 14. Тормозная система
а
б
в
13
2
4
1
4
3
12
9
8
11
5
6
7
10
Рис. 14.9. Датчики частоты вращения колеса и их установка:
а — крепление индуктивного датчика на поворотной цапфе; б — крепление
индуктивного датчика внутри ступицы колеса; в — активный датчик; 1 — тормозной диск; 2 — передняя ступица; 3 — защитный кожух; 4 — винт с внутренним шестигранным зацеплением; 5 — датчик; 6 — поворотная цапфа; 7 —
фланец крепления колеса; 8 — шарики; 9 — кольцо датчика; 10 — фланец
крепления к подвеске; 11 — задающий диск; 12 — электронная ячейка датчика;
13 — корпус датчика
Более совершенны активные датчики, применяемые для измерения частоты вращения колеса (рис. 14.9, в). Чувствительный
элемент электронной ячейки 12 такого датчика изготовлен из материала, электропроводность которого зависит от напряженности
магнитного поля. При вращении задающего диска 11 происходят
изменения магнитного поля. Вызываемые изменяющимся магнитным полем колебания проходящего через чувствительный элемент
тока преобразуются в электронной схеме в колебания напряжения, выводимого на внешние контакты датчика. При вращении задающего диска установленный около него датчик вырабатывает
прямоугольные импульсы, частота которых соответствует частоте
вращения диска. Преимуществом данного датчика по сравнению
с ранее применяемыми системами является точная регистрация
частоты вращения при ее снижении вплоть до остановки колеса.
Аналогичный принцип работы ABS 2S и ABS 2Е фирмы Bosch
(рис. 14.10), однако в этой системе применяется уравнивающий
цилиндр для уравнивания давления в тормозном приводе задних
колес, который позволяет вместо четырех электромагнитных клапанов использовать три. В состав модулятора, таким образом, входят не четыре, а три электромагнитных клапана, уравнивающий
549
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
Ппр
Зпр
5
3
1
6
2
2
Пл
4
3
7
5
Зл
Рис. 14.10. ABS 2Е фирмы Bosch в фазе обычного торможения:
1 — главный тормозной цилиндр; 2 — электромагнитный клапан; 3 — аккумулятор давления; 4 — электромагнитный клапан заднего моста; 5 — нагнетательный насос; 6 — перепускной клапан; 7 — поршень уравнительного цилиндра;
Ппр — переднее правое колесо; Пл — переднее левое колесо; Зпр — заднее правое колесо; Зл — заднее левое колесо
цилиндр, двухпоршневой нагнетательный гидронасос, два аккумулятора давления, реле насоса и реле электромагнитных клапанов.
Система работает следующим образом. При обычном торможении тормозная жидкость под давлением из главного цилиндра поступает в рабочие цилиндры обоих передних колес и правого зад
него колеса через три электромагнитных клапана, которые в исходном положении закрыты. В рабочий цилиндр левого заднего
колеса тормозная жидкость подается через открытый перепускной
клапан уравнивающего цилиндра. Когда возникает опасность блокировки одного из передних колес, ЭБУ выдает команду на закрытие соответствующего электромагнитного клапана, предотвращая повышение давления в колесном цилиндре. Если опасность
блокировки колеса не устранена, к электромагнитному клапану
подводится ток, обеспечивающий открытие участка магистрали
между рабочим цилиндром колеса и аккумулятором давления.
Давление в приводе тормоза падает, после чего ЭБУ выдает команду на включение гидронасоса, который перегоняет жидкость
в главный цилиндр через уравнивающий цилиндр.
Когда возникает опасность блокировки одного из задних колес, давление тормозной жидкости регулируется в обоих задних
550
Глава 14. Тормозная система
тормозах одновременно, с тем чтобы не допустить движения задних колес юзом.
Электромагнитный клапан привода правого заднего тормоза
устанавливается в положение удержания постоянного давления
и перекрывает участок магистрали между главным и колесным цилиндрами. На противоположные торцевые поверхности поршня 7
уравнивающего цилиндра начинает действовать давление различной величины, вследствие чего поршень со штоком перемещается
в сторону наименьшего давления (на рисунке — вверх) и закрывает клапан 6, разъединив главный и колесный цилиндры левого заднего тормоза. Поршень уравнивающего цилиндра из-за образующейся разницы давления в рабочих полостях над ним и под ним
всякий раз устанавливается в такое положение, при котором давление в приводах обоих задних тормозов одинаково.
Если сохраняется опасность блокировки задних колес, ЭБУ
запитывает электромагнитный клапан в контуре задних колес током в 5 А. Золотник электромагнитного клапана перемещается
и открывает участок контура между рабочим цилиндром правого
заднего тормоза и аккумулятором давления жидкости. Давление
в контуре уменьшается. Гидронасос нагнетает тормозную жидкость
в главный цилиндр через уравнивающий цилиндр. В результате
снижения давления в пространстве над поршнем 7 он в очередной
раз перемещается, сжимается пружина центрального клапана, увеличивается объем пространства под верхним поршнем. Давление
в левом колесном тормозном цилиндре снижается. Поршень уравнивающего цилиндра вновь устанавливается в положение, соответствующее равенству давлений в приводах обоих задних тормозов.
После устранения угрозы блокировки колес электромагнитный
клапан возвращается в исходное положение. Поршень уравнивающего цилиндра под действием пружины также занимает исходное
нижнее положение.
Более совершенной является ABS 5-й серии фирмы Bosch
(рис. 14.11) с блоком 10, которая относится к новому поколению
систем ABS и представляет собой замкнутую гидравлическую систему, не имеющую канала для возврата тормозной жидкости в бачок, питающий главный тормозной цилиндр. Схема этой системы
показана на примере автомобиля Volvo S40.
551
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
1
2
3
4
5
4
3
2
6
7
M
9
8
10
11
12
11 12
11 12
12
13
11
13
17
16
15
14
Рис. 14.11. Схема ABS 5-й серии фирмы Bosch:
1 — обратные клапаны; 2 — клапан плунжерного насоса; 3 — гидроаккумулятор; 4 — камера подавления пульсации в системе; 5 — электродвигатель с эксцентриковым плунжерным насосом; 6 — бачок для тормозной жидкости; 7 —
педаль рабочего тормоза; 8 — усилитель; 9 — главный тормозной цилиндр;
10 — блок ABS; 11 — выпускные управляемые клапаны; 12 — впускные
управляемые клапаны; 13 — дросселирующий клапан; 14–17 — тормозные
механизмы
Электронные и гидравлические компоненты смонтированы как
единый узел. В их число входят также реле для включения электродвигателя 5 плунжерного насоса и реле включения впускных 12
и выпускных 11 клапанов. Внешними компонентами являются: сигнальная лампа работы ABS в приборной панели, которая загорается
в случае возникновения неисправности в системе, а также при включении зажигания в течение четырех секунд; выключатель стопсигнала и датчики скорости вращения колес. Блок имеет вывод на
диагностический разъем.
Дросселирующий клапан 13 устанавливается для снижения
тормозного усилия на задних колесах во избежание их блокировки. В связи с тем что тормозная система имеет настройку по более
«слабому» заднему колесу (это означает, что давление тормозов
552
Глава 14. Тормозная система
задних колес одинаковое, а его величина устанавливается по наиболее близкому к блокированию колесу), устанавливается один
дросселирующий клапан на контур.
Тормозные механизмы 14–17 включают тормозные диски и однопоршневые суппорты с плавающей скобой и тормозными колодками, оборудованными скобами контроля износа фрикционных
накладок. Тормозные механизмы задних колес аналогичны таковым
передних колес, но имеют сплошные тормозные диски (на передних — вентилируемые) и исполнительный механизм стояночного
тормоза, вмонтированный в суппорт.
При нажатии педали 7 тормоза ее рычаг освобождает кнопку
выключателя стоп-сигнала, который, срабатывая, включает лампочки стоп-сигналов и приводит ABS в дежурное состояние. Движение педали через шток и вакуумный усилитель 8 передается на
поршни главного цилиндра 9. Центральный клапан во вторичном
поршне и манжета первичного поршня перекрывают сообщение
контуров с бачком 6 для тормозной жидкости. Это приводит к росту давления в тормозных контурах, которое действует на поршни
тормозных цилиндров в тормозных суппортах, в результате чего
тормозные колодки прижимаются к дискам. При отпускании педали все детали возвращаются в исходное положение.
Если при торможении одно из колес близко к блокировке (о
чем сообщает датчик частоты вращения), блок управления перекрывает впускной клапан 12 соответствующего контура, что препятствует дальнейшему росту давления в контуре независимо от
роста давления в главном цилиндре. В то же время начинает работать гидравлический плунжерный насос. Если вращение колеса
продолжает замедляться, блок управления открывает выпускной
клапан 11, позволяя тормозной жидкости возвратиться в гидроаккумуляторы 3. Это приводит к уменьшению давления в контуре
и дает возможность колесу вращаться быстрее. Если вращение колеса чрезмерно ускоряется (по сравнению с другими колесами),
для повышения давления в контуре блок управления перекрывает
выпускной клапан 11 и открывает впускной 12. Тормозная жидкость подается из главного тормозного цилиндра и с помощью
плунжерного насоса из гидроаккумуляторов 3. Демпфирующие
камеры 4 сглаживают (подавляют) пульсации, возникающие в системе при работе плунжерного насоса.
14.1. Антиблокировочные тормозные системы
553
Выключатель стоп-сигнала информирует модуль управления
о торможении, что позволяет модулю управления более точно контролировать параметры вращения колес.
Диагностический разъем служит для подсоединения Volvo Sys
tem Tester при выполнении диагностики.
Если автомобиль оборудован системой DSA (система динамической стабилизации), то модуль управления ею получает данные
о частоте вращения колес, которые необходимы для измерения
пробуксовывания. Эту информацию модуль управления системой
DSA получает с модуля управления системой ABS. Для этой цели
служат три коммуникационные линии. Система DSA не использует тормоза для контроля пробуксовывания.
При включении зажигания система проверяет электрическое
сопротивление всех компонентов. Во время этой проверки горит
сигнальная лампа. После завершения проверки (4 с) лампа должна
погаснуть. Она также загорается, если одно из колес пробуксовывает более 20 с или электроснабжение выдает напряжение менее
10 В. Контрольная лампочка системы предупреждает водителя о том,
что из-за неисправности системы произошло ее автоматическое
отключение, но тормозная система продолжает функционировать
как обычная тормозная система без ABS.
При движении автомобиля выполняется проверка электродвигателя насоса, его реле, впускных и выпускных клапанов на скорости 6 км/ч. На скорости 40 км/ч осуществляется проверка работы
колесных датчиков. Во время работы системы насос функционирует в непрерывном режиме.
Во время движения в дождь или снегопад при скорости движения более 70 км/ч и включенном стеклоочистителе лобового стекла тормозные накладки передних тормозов периодически (каждые
185 с) кратковременно (на 2,5 с) прижимаются к тормозным дискам с минимальным давлением (0,5...1,5 кгс/см2). В результате
этого накладки и диски очищаются, и улучшается эффективность
торможения.
554
Глава 14. Тормозная система
14.2. Электромеханические
тормозные системы
Дальнейшим шагом развития тормозных систем являются электромеханические тормозные системы. Электромеханическая тормозная система (рис. 14.12) состоит из блока управления (процессора) 9, который имеет связь с датчиками и исполнительными
механизмами системы, тормозной педали 10 с имитатором 7 чувствительности торможения, приводных механизмов колес 5 и 13.
В приводных механизмах задних колес вмонтированы механизмы
стояночного тормоза, который управляется включателем 11 из салона автомобиля.
1
Переднее правое колесо
Заднее правое колесо
2
3
4
1
2
3
13
5
6
6
7
Бат.1
12
8
9
Бат.2
10
Переднее левое колесо
11
Заднее левое колесо
Сигнал
Напряжение
Рис. 14.12. Электромеханическая тормозная система:
1 — суппорт; 2 — фрикционная накладка; 3 — тормозной диск; 4 — датчик
частоты вращения колеса; 5 — приводной механизм; 6 — электрическая колодка; 7 — имитатор чувствительности торможения; 8 — подсоединение бортовой электрической сети; 9 — центральный процессор и контроль АКБ; 10 — тормозная педаль; 11 — включатель стояночной тормозной системы; 12 — бортовая
электрическая сеть; 13 — приводной механизм с встроенным механизмом стояночного тормоза
14.2. Электромеханические тормозные системы
555
В отличие от гидравлических и электрогидравлических тормозных систем в электромеханических системах тормозная сила
воздействует на тормозной диск вместо традиционной скобы. Тормозная система приводится в действие тормозной педалью, которая через потенциометр связана с электронным блоком управления.
Сигнал, зависящий от скорости и усилия нажатия на тормозную
педаль, передается в блок управления. В нем в зависимости от режима движения и процесса торможения (частота вращения затормаживаемого колеса, уклонение колеса от прямолинейного курса,
поперечное ускорение) перерабатываются поступающие сигналы
и определяются электрические величины для оптимальной тормозной силы. Рассчитанные электрические величины передаются
в приводной механизм колеса для осуществления процесса торможения.
Тормозной механизм колеса показан на рис. 14.13. Он представляет собой вмонтированный в привод колеса электродвигатель,
состоящий из статора 3 и вращающегося ротора 5, установленного
на подшипниках. Внутренняя часть ротора является коронной шестерней, в зацеплении с которой находятся сателлитные шестерни 6, приводящие во вращение солнечную шестерню 7. Внутри
ротора 5 установлен ходовой винт 4. При подаче тока определенной величины в статор ротор начинает вращаться и ходовой винт
передвигается с разной скоростью на разную величину перемещения, а также может менять направление движения. Ходовой винт,
соединенный с колодкой, в зависимости от дорожных условий
и характера торможения воздействует на тормозную колодку, прижимая или отводя ее от тормозного диска.
Стояночный тормоз представляет собой дополнительный встроенный механизм в тормозной механизм колеса, прижимающий тормозные колодки к диску при подаче тока на приводной механизм
со стояночного тормоза. Управление стояночным тормозом осуществляется от кнопки, с помощью которой замыкается электрическая
цепь.
Электромеханические тормозные системы отличаются рядом
преимуществ:
оптимальное соотношение тормозных сил и стабилизация
по устойчивости автомобиля при движении;
оптимальная чувствительность тормозной педали, что уменьшает тормозной и остановочный путь;
556
Глава 14. Тормозная система
2
3
1
9
7
8
6
5
4
Рис. 14.13. Тормозной механизм электромеханической тормозной
системы:
1 — кулак; 2 — подшипник; 3 — статор; 4 — ходовой винт (шпиндель); 5 —
ротор; 6 — сателлитная шестерня; 7 — солнечная шестерня; 8 — тормозной
диск; 9 — тормозная колодка
бесшумный
привод и отсутствие вибраций педали, характерных для гидропривода с ABS;
безопасное перемещение педального модуля при ДТП;
отсутствие вакуумного усилителя для привода тормозной
системы.
Электромеханические тормозные системы могут выполнять
функции ABS, систем курсовой устойчивости, противобуксовочных систем и т.д. По сравнению с гидравлическими системами они
работают бесшумно, имеют меньшее количество составляющих
тормозной системы и более экологичны ввиду отсутствия в системе тормозной жидкости.
557
14.3. Стояночный тормоз
14.3. Стояночный тормоз
14.3.1. Стояночный тормоз винт — гайка
Такие тормозные механизмы для стояночного тормоза применяются в ряде зарубежных автомобилей. Ниже приводится конструкция и принцип работы стояночного тормоза автомобиля Volvo.
При подъеме рычага стояночного (ручного) тормоза трос перемещается относительно оплетки, опирающейся на кронштейн 9
(рис. 14.14), и за рычаг 8 поворачивает вокруг оси вал 7, на другом
конце которого расположена пластина 6 с тремя коническими гнездами переменной глубины. В каждом гнезде находится шарик 11.
Вместе с кольцом 10 эти детали образуют механизм, который при
проворачивании заставляет вал 7 перемещаться в осевом направлении. Конические гнезда выполнены так, что первоначально
большое, по отношению к вращательному, осевое перемещение
становится малым, тем самым увеличивая передаваемое усилие.
Осевое перемещение вала 7 передается на головку винта 5, который, сжимая пружину 12, через гайку 4 передает усилие поршню 3, смонтированному в плавающей скобе 13, и вместе со скобой,
действуя через тормозные колодки 2, зажимает тормозной диск 1.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
13
12
11 10
Рис. 14.14. Механизм стояночного тормоза
558
Глава 14. Тормозная система
Эффект саморегулирования стояночного тормоза происходит
за счет того, что по мере износа пары тормозные колодки — тормозной диск появляется увеличенный зазор и, не встречая сопротивления, вал 7 проворачивает винт 5 относительно гайки 4, что
приводит к уменьшению зазора между тормозными колодками
и диском. Пара винт — гайка (позиции 5 и 4) имеет люфт в резьбовом соединении, что позволяет тормозному механизму освободить тормозной диск, когда стояночный тормоз не задействован.
Привод стояночного тормоза осуществляется обычно через
трос его натяжением рукой от рукоятки рычага, однако некоторые
автомобили могут иметь ножное педальное управление. Примером
может служить автомобиль Phaeton фирмы Volkswagen.
Привод барабана стояночного тормоза показан на рис. 14.15.
Прилагаемая к педали сила передается тросом на уравнитель,
расположенный под днищем автомобиля. Уравнитель распределяет приводное усилие между двумя тросами, приводящими в действие задние тормозные механизмы.
а
б
2
3
7
3
4
2
5
8
6
1
Рис. 14.15. Привод барабана стояночного тормоза:
а — затормаживание; б — растормаживание; 1 — педаль стояночного тормоза;
2 — барабан; 3 — петлевая пружина; 4 — крепление наконечника троса; 5 —
пластмассовая пружина; 6 — трос торможения; 7 — трос растормаживания;
8 — рычаг
559
14.3. Стояночный тормоз
а
б
Рис. 14.16. Схема работы петлевой пружины:
а — затяжка тормоза; б — растормаживание
При нажатии на педаль тормоза петлевая пружина 3 прижима
ется к барабану 2, увеличивая силы трения о него и противодейст
вуя перемещению педали в обратном затяжке тормоза направлении
(рис. 14.16, а). В результате производится практически бесступен
чатое и бесшумное фиксирование педали. Нажатие на тормозную
педаль вызывает поворот барабана и натяжение троса торможения.
Чтобы разблокировать стояночный тормоз, необходимо нажать
рукой на специальный рычаг. При нажатии на рычаг устройства
растормаживания наконечник его троса подтягивается вверх. В ре
зультате петлевая пружина разжимается, освобождая при этом бара
бан, и педаль возвращается в исходное положение (рис. 14.16, б).
Этот принцип позволяет производить растормаживание с мини
мальными усилиями.
Педальное управление может быть и сегментного типа
(рис. 14.17). Педаль 17 стояночного тормоза соединена с тросом
через зубчатую рейку 9. Одна сторона зубчатой рейки жестко свя
зана с тросом 13. Зубчатая рейка ходит в направляющем рычаге 8,
который шарнирно соединен с зубчатым сегментом 3. Направляю
щий рычаг прижимается к зубчатой рейке под действием нажим
ной пружины 7 и стопорит рейку на педали стояночного тормоза.
Этим обеспечивается жесткая связь между педалью и тросом.
При нажатии педаль приводит трос стояночного тормоза 13.
В нажатом состоянии педаль фиксируется храповиком 4, который
входит в зацепление с зубчатым сегментом 3, неподвижно соеди
ненным с педалью. Храповик подвижно закреплен на кронштейне
педали и прижимается к зубчатому сегменту пружиной. При за
фиксированной педали приводной трос остается натянутым. Через
560
Глава 14. Тормозная система
6
7
8
2
9
4 5
10
3
1
18
12
16
15
14
17
11
13
Рис. 14.17. Привод тросового стояночного тормоза сегментного типа:
1 — рукоятка разблокировки; 2 — трос разблокировки; 3 — зубчатый сегмент;
4 — храповик; 5 — ось храповика; 6 — регулировочная пружина; 7 — нажимная пружина; 8 — направляющий рычаг; 9 — зубчатая рейка; 10, 14 — кронштейн педали; 11 — стояночный тормоз барабанного типа; 12 — упор; 13 —
трос стояночного тормоза в оболочке; 15 — ось педали; 16 — газовый упорный
амортизатор; 17 — педаль; 18 — рычаг разблокировки
разжимной механизм натянутый трос прижимает обе колодки стояночного тормоза к тормозному барабану и автомобиль удерживается стояночным тормозом.
При нажатии на рукоятку разблокировки 1 подпружиненный
храповик 4 фиксации педали отжимается рычагом разблокировки 18. При этом он выходит из зацепления с зубчатым сегментом,
разблокируя педаль. Благодаря демпфирующему действию газового упорного амортизатора педаль плавно возвращается в исходное положение. Приводной трос ослабляется и выключает стояночный тормоз.
Постепенное растяжение троса и износ шарнирных соединений
вызывают прогрессирующий люфт в приводе стояночного тормоза.
Поэтому для нормальной работы привод нуждается в регулировке.
14.3. Стояночный тормоз
561
В данной конструкции стояночного тормоза предусмотрена автоматическая регулировка. Механизм регулировки неподвижно закреплен между педалью стояночного тормоза и тросом. Принцип
регулировки заключается в следующем. При отжимании рычага
разблокировки 18 педаль стояночного тормоза 17 возвращается
в исходное положение. При этом направляющий рычаг 8 прижимается к упору 12. Двигаясь дальше, направляющий рычаг преодолевает сопротивление нажимной пружины 7, отжимается вверх
и освобождает зубчатую рейку 9. Под действием регулировочной
пружины 6 зубчатая рейка поднимается вверх ровно настолько,
насколько это необходимо для того, чтобы компенсировать люфт.
При очередном нажатии на педаль стояночного тормоза нажимная
пружина 7 снова прижимает направляющий рычаг 8 к зубчатой
рейке 9, и она стопорится.
14.3.2. Стояночный тормоз с электроприводом
Общая компоновка стояночного тормоза с электроприводом
показана на рис. 14.18.
Включается и выключается стояночный тормоз посредством
специального выключателя. Снятие с тормоза производится нажатием движка выключателя при одновременном воздействии на
педаль тормоза или акселератора.
Стояночный тормоз можно привести в действие также при выключенном зажигании, если потянуть на себя движок его выключателя. Снятие автомобиля с тормоза осуществляется только при
включенном зажигании.
Принцип действия стояночного тормоза следующий. Для выполнения основной функции стояночного тормоза необходимо
преобразовать вращение вала электродвигателя в небольшое поступательное движение поршня тормозного механизма. Это достигается применением редуктора 4 с качающейся шестерней в сочетании с винтовой передачей.
В приводе реализовано снижение частоты вращения. Первая
ступень образована с помощью зубчатого ремня, связывающего
электродвигатель с редуктором (с передаточным отношением 1 : 3),
вторая ступень — с помощью редуктора с качающейся шестерней
(с передаточным отношением 1 : 50). Вследствие применения двой-
562
Глава 14. Тормозная система
2
3
4
6
5
7
8
1
9
10
11
Рис. 14.18. Общая компоновка стояночного тормоза с электроприводом:
1 — тормозной диск; 2 — тормозная колодка; 3 — подвижная скоба; 4 — редуктор; 5 — электродвигатель; 6 — подвод электроэнергии; 7 — шестерня
электродвигателя; 8 — корпус привода; 9 — ведущая шестерня привода; 10 —
качающаяся шестерня; 11 — ведомая шестерня электропривода
ного редуктора частота вращения выходного вала редуктора в 150 раз
меньше частоты вращения вала электродвигателя.
На ведущем валу редуктора установлена жестко связанная с ним
качающаяся коническая шестерня 4 (рис. 14.19). Ось ее вращения
пересекает ось ведущего вала редуктора под углом, поэтому при
вращении ведущего вала шестерня совершает круговое качательное движение. Качающаяся шестерня вращается на ступице ведущей шестерни привода и снабжена двумя поводками 2 и 5, которые
входят в направляющие пазы корпуса редуктора и не допускают
ее вращения относительно корпуса редуктора, поэтому она качается,
не вращаясь.
Kачающаяся шестерня имеет 51 зуб, а на ведомой шестерне
предусмотрено 50 зубьев. Из-за этой так называемой «ошибки
шага» зуб качающейся шестерни всегда прижимается к боковой
поверхности зуба ведомой шестерни и никогда не попадает точно
в проем между зубьями.
При вращении ведущего вала редуктора два зуба качающейся
шестерни постоянно находятся в зацеплении с двумя зубьями
563
14.3. Стояночный тормоз
а
2
б
3
1
4
4
6
5
Рис. 14.19. Редуктор с качающейся шестерней:
а — редуктор; б — зацепление качающейся шестерни с ведомой; 1 — ведомый
вал; 2, 5 — поводок; 3 — ведущая шестерня привода; 4 — качающаяся шестерня; 6 — ведомая шестерня
ведомой шестерни (рис. 14.20, а). При повороте ведущего вала на
пол-оборота входит в зацепление другая пара зубьев (рис. 14.20, б).
В этом положении зуб качающейся шестерни входит в зацепление
с зубом ведомой шестерни, взаимодействуя с его боковой поверха
б
4
3
2
A
5
1
6
Рис. 14.20. Принцип работы редуктора с качающейся шестерней:
а — при вращении ведущего вала редуктора; б — при повороте ведущего
вала редуктора; 1, 5 — ведомый вал; 2 — ступица; 3 — наклон ступицы; 4, 6 —
находящиеся в зацеплении зубья качающейся и ведомой шестерен; А —
наиболее тонкая часть ступицы
564
Глава 14. Тормозная система
ностью. В результате этого при повороте ведущего вала на полоборота при каждом качании ведущей шестерни ведомая шестерня
и вместе с ней ходовой винт поворачиваются на очень маленький
угол, соответствующий половине ширины зуба, что позволяет производить плавное торможение.
Вращательное движение преобразуется в поступательное посредством ходового винта 3, связанного с поршнем 5 тормозного
механизма (рис. 14.21). Ходовой винт приводится непосредственно от редуктора с качающейся шестерней. В полости поршня тормоза расположен цилиндр 6. В утолщение головной части цилиндра запрессована нажимная гайка 2. Нажимная гайка и связанный
с ней цилиндр могут свободно скользить вдоль поршня тормозного
механизма, не вращаясь относительно него. Вращение гайки невозможно ввиду специальной формы внутренней поверхности
поршня, взаимодействующей с фигурной поверхностью нажимной
гайки.
а
б
5 2
4
1
2
7 6
3
5
2
3
3
Рис. 14.21. Схема работы стояночного тормозного механизма с электроприводом:
а — затяжка тормоза; б — снятие с тормоза; 1 — тормозной диск; 2 — нажимная гайка; 3 — ходовой винт; 4 — редуктор; 5 — поршень тормозного механизма;
6 — цилиндр; 7 — уплотнительное кольцо
14.3. Стояночный тормоз
565
Число оборотов вала электродвигателя определяется посредством датчика Холла. Благодаря этому блок управления может
вычислить ход поршня.
При затяжке стояночного тормоза вращение ходового винта 3
преобразуется в поступательное движение нажимной гайки, связанной с цилиндром 6, который упирается в поршень тормозного
механизма и прижимает через него колодки к тормозному диску
(рис. 14.21, а). При этом происходит деформация уплотнительного
кольца 7 поршня в направлении к колодкам. По мере повышения
усилия прижима колодок к тормозному диску возрастает потреб
ление тока электродвигателем. Блок управления электромеханическим стояночным тормозом контролирует в течение всего процесса
затяжки тормоза величину потребляемого тока и при достижении
этим током определенной величины выключает электродвигатели.
Резьба винта является самотормозящей. Благодаря этому после сведения тормозных колодок и прекращения подачи напряжения на электромотор тормоз остается затянутым.
При снятии с тормоза (рис. 14.21, б) гайка перемещается по
ходовому винту назад вследствие вращения ходового винта в обратном направлении. Давление на цилиндр прекращается. Поршень отходит от тормозного диска под действием упругих сил
уплотнения уплотнительного кольца 7, стремящегося занять исходное положение, и биения тормозного диска. При этом колодки
также отходят от тормозного диска.
В качестве редуктора в стояночном тормозном механизме с электроприводом может использоваться и планетарный редуктор. Использование такого редуктора снижает уровень шума и экономит
компоновочное пространство. Общее передаточное отношение
1 : 150 реализуется тремя ступенями: первая — при помощи зубчатого ремня от двигателя на вход редуктора (1 : 3); вторая — планетарного редуктора (1 : 50); третья — винтового привода (1 : 1,25).
Большое передаточное число технически достигается за счет двух
последовательно включенных планетарных редукторов.
Первичная шестерня редуктора 1, приводимая в движение зубчатым ремнем (рис. 14.22), вращает жестко закрепленную с ней
солнечную шестерню 9 первого планетарного ряда, с которой в зацеплении находятся сателлиты 2 первого планетарного ряда. Вращаясь, сателлиты 2 обкатываются по внутренним зубьям коронной
566
Глава 14. Тормозная система
2
3
1
4
1
2
7
5
4
6
7
9
8
3
Рис. 14.22. Планетарный редуктор:
1 — шестерня редуктора; 2 — сателлиты первого планетарного ряда; 3 — коронная шестерня; 4 — сателлиты второго планетарного ряда; 5 — ступица;
6 — выходная шестерня; 7 — водило второго планетарного ряда; 8 — водило
первого планетарного ряда; 9 — солнечная шестерня первого ряда
шестерни 3 меньшего диаметра, которая жестко закреплена на
корпусе. Водило первого планетарного ряда 8 при этом также вращается, приводя во вращение другую солнечную шестерню с наружной стороны водила, связанную с ним (на рисунке не показана).
Вокруг этой шестерни и внутренних зубьев коронной шестерни 3
большего диаметра обкатываются сателлиты 4 второго планетарного ряда, которые приводят во вращение водило 7 второго планетарного ряда.
В водиле 7 на ступице 5 жестко закреплена выходная шестерня 6 редуктора, соединенная непосредственно с винтовым приводом.
Зазоры в приводе стояночного тормоза определяются периодически при стоянке автомобиля. Они регулируются автоматически, если при пробеге очередной тысячи километров стояночный
тормоз не приводился в действие ни разу. Для этого тормозные
колодки перемещаются из их исходного положения до упора в тормозной диск. Блок управления стояночным тормозом определяет
величину хода колодок по величине тока, потребляемого электромотором, и производит компенсацию износа колодок.
В электроприводном стояночном тормозном механизме с барабанным тормозным механизмом задних колес привод с редуктором встроен в тормозные диски задних колес. Барабанные тормоза
567
14.3. Стояночный тормоз
2
3
4
1
7
5
6
Рис. 14.23. Электропривод стояночного тормозного механизма барабанного типа:
1 — регулировочный винт; 2 — тормозные колодки; 3 — электродвигатель;
4 — многоступенчатый редуктор; 5 — ходовой винт; 6 — вилки тормозной
колодки; 7 — пружины
при включении стояночного тормоза приводятся с помощью двух
электроприводов, по одному в каждом из колес (рис. 14.23).
При включении стояночного тормоза на электродвигатель электропривода тормоза подается напряжение. Вращательное движение вала двигателя преобразуется многоступенчатым редуктором
и ходовым винтом в поступательное движение вилок тормозных
колодок. Выдвигающиеся вилки, преодолевая сопротивление обеих
пружин, разжимают тормозные колодки в стороны, прижимая их
к внутренней стороне тормозного барабана.
При выключении на электродвигатель электропривода тормоза подается напряжение. Вилки тормозных колодок смещаются
в обратном направлении и перестают прилагать усилие на тормозные колодки. Пружины сжимают тормозные колодки до отрегулированного положения. Это положение зависит от регулировочного
винта и электропривода и определяет величину зазора между тормозными колодками и тормозным барабаном.
568
Глава 14. Тормозная система
Отдельные производители, например Ford, Audi, предусматривают автоматическое дотягивание стояночного тормоза. Если при
включении стояночного тормоза температура тормозного механизма превышает 300 °C, то через 3 мин автоматически производится дотягивание стояночного тормоза. Этим предотвращается
возможное ослабление тормозного усилия в результате уменьшения толщины тормозных колодок/накладок и тормозного диска
при их охлаждении. Температура тормозного механизма оценивается модулем управления стояночного тормоза на основании ряда
параметров. К ним относятся скорость в начале и при завершении
торможения, величина замедления автомобиля и степень охлаждения тормозного механизма, зависящая от скорости автомобиля.
Действие стояночного тормоза прекращается автоматически,
если водитель закрыл дверь, пристегнул ремень безопасности, запустил двигатель и нажал на педаль акселератора, чтобы привести
автомобиль в движение. При этом момент выключения тормоза
зависит от угла продольного наклона автомобиля и крутящего момента двигателя.
Применение стояночного тормозного механизма с электроприводом позволяет осуществлять плавное трогание с места и исключить скатывание автомобиля назад на уклоне при неумелых действиях водителя.
На момент выключения стояночного тормоза влияют следующие параметры:
угол наклона автомобиля, определяемый с помощью датчика продольного ускорения, встроенного в блок управления стояночным тормозом;
крутящий момент двигателя;
положение педали акселератора;
степень выключения сцепления, определяемая у автомобилей с механической коробкой передач по сигналу датчика положения педали сцепления;
желаемое направление движения автомобиля, определяемое
по положению селектора АКП или по сигналу, получаемому с выключателя фонарей заднего хода.
Скатывание автомобиля назад при этом исключается, так как
стояночный тормоз отпускается только при условии, если передаваемый на колеса крутящий момент превышает его расчетное
значение, соответствующее углу подъема дороги. Если крутящий
14.4. Композитные тормозные диски и колодки
569
момент двигателя превышает расчетное значение, блок управления
включает электромеханические приводы обоих задних тормозных
механизмов.
Использование стояночного тормозного механизма с электроприводом позволяет отказаться от частого включения его, например при остановках на светофорах.
В случае неисправности привода служебного тормоза автомобиль можно затормозить посредством системы динамического управления тормозами. Функция аварийного торможения действует как
при включенном, так и выключенном зажигании. Если нажать
и удерживать клавишу выключателя электромеханического стояночного тормоза при движении автомобиля, он будет заторможен
с замедлением приблизительно 6 м/с2. При этом раздается звуковой сигнал и зажигаются сигналы торможения. При скорости автомобиля свыше 7 км/ч система динамического управления производит торможение повышением давления тормозной жидкости
во всех четырех рабочих цилиндрах. При этом подключается система ABS/ESP, которая обеспечивает торможение автомобиля без
заноса. Если скорость автомобиля не превышает 7 км/ч, нажим
и удерживание клавиши выключателя стояночного тормоза вызывает торможение автомобиля посредством электромеханических
приводов тормозных механизмов (подобно затягиванию стояночного тормоза на стоянке). Если необходимо прервать аварийное
торможение при движении автомобиля со скоростью более 7 км/ч,
достаточно отпустить клавишу выключателя стояночного тормоза
или нажать педаль акселератора.
14.4. Композитные тормозные диски и колодки
Армированные волокном композитные материалы все больше
используются в автомобильной технике, так как они имеют высокую прочность при малом удельном весе, высокую термостойкость
и износостойкость. Учитывая эти свойства, такие материалы применяются для изготовления тормозных дисков и колодок.
В качестве материала для изготовления тормозных дисков композитный материал (керамика) типа C/SiC (углерод — карбид
кремния) имеет следующие существенные преимущества по сравнению с обычно используемыми металлами, например серым чугуном:
570
Глава 14. Тормозная система
малая масса конструктивных элементов, которая обусловливает уменьшение неподрессоренных и вращающихся масс (уменьшение массы составляет примерно 50 % на колесо);
высокая износостойкость — почти в четыре раза больший
срок службы по сравнению с обычными тормозными дисками;
намного более высокая стойкость к резким перепадам температуры, благодаря этому практически отсутствуют геометрические деформации тормозных дисков при изменении температуры;
высокая термостойкость, способствующая снижению коэффициента трения между тормозным диском и колодками при увеличении температуры.
Керамикой типа C/SiC называют армированный углеродным
волокном карбид кремния. Карбид кремния по своим свойствам
схож с алмазом, т.е. он имеет очень высокую твердость, является
износостойким, характеризуется химической и термической прочностью. Чтобы иметь возможность использовать этот прочный,
но хрупкий материал для тормозных дисков, в матрицу карбида
кремния для усиления добавляется углеродное волокно. Этим достигается более высокая вязкость разрушения и благодаря псевдопластичному поведению материала получают более устойчивые
к повреждениям детали и узлы.
Керамический тормозной диск имеет с обеих сторон фрикционные слои 2 (рис. 14.24),
3
свойства которых определяют трибологические характеристики тормозной системы.
2
2
Эти фрикционные поверхности имеют не1
1
сколько иной химический состав, чем скрытый под ним материал 1 несущей части, которая отвечает за прочность узла и восприятие
энергии торможения. Материал типа C/SiC
тормозного диска в основном включает в себя
три компонента. Несущая часть состоит из
карбида кремния и свободного кремния, армирование производится за счет расположен- Рис. 14.24. Структура
керамического
ных в ней углеродных волокон. Во фрикцитормозного диска:
онном слое доля керамики из карбида крем- 1 — материал несущей
ния намного выше, чем в несущей части, для части; 2 — фрикционобеспечения надлежащей твердости и износо- ный слой; 3 — стенка
стойкости поверхности.
канала охлаждения
14.4. Композитные тормозные диски и колодки
571
2
3
1
4
5
8
7
6
Рис. 14.25. Керамический тормозной диск:
1 — соединительный элемент; 2 — алюминиевый неподвижный тормозной
суппорт; 3 — поршень; 4 — изолятор поршня; 5 — специальные тормозные
колодки с накладками из органических материалов; 6 — фрикционный диск;
7 — ступица; 8 — стенка канала охлаждения
Керамические тормозные диски (рис. 14.25) вентилируются
изнутри через специально разработанные каналы для реализации
оптимального охлаждения при торможении.
Диск связан с металлической ступицей 7 с помощью соединительных элементов 1. Ступица тормозного диска и соединительные
элементы изготовлены из коррозионностойкого металлического
сплава. Во фрикционном диске 6 прорезаются перфорационные
отверстия и каналы охлаждения.
Из-за возросших по сравнению с обычными тормозными механизмами максимальных температур тормозного диска и тормозных колодок, чтобы предотвратить влияние высоких температур
и появление паровых пробок, между поршнем тормозного цилиндра и тормозной колодкой устанавливают керамический изолятор 4 из оксида циркония.
В автомобилях с керамическими тормозными дисками используются тормозные колодки из органических композитных материалов. Для изготовления таких колодок в их состав добавляют
больше цветных металлов, чем в состав для обычных колодок, что
позволяет реализовать более высокие температуры торможения.
ГЛАВА
15
СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ
Системы безопасности автомобиля подразделяют на активные,
пассивные и вспомогательные.
Активная безопасность автомобиля охватывает комплекс
свойств, снижающих возможность возникновения дорожно-транс
портных происшествий.
Пассивная безопасность включает конструктивные мероприятия, направленные на сведение к минимуму вероятности ранений
человека при ДТП.
Вспомогательные средства безопасности дополняют основные
системы безопасности.
Основные средства безопасности современного легкового автомобиля определяются конструктивными изменениями автомобиля,
основные из которых описаны ниже.
15.1. Электронная система стабилизации
управления автомобилем
15.1.1. Общие положения
Система стабилизации управления автомобилем (система курсовой устойчивости) предназначена для сохранения устойчивости
и управляемости автомобиля за счет заблаговременного определения и устранения критической ситуации.
Система позволяет удерживать автомобиль в пределах заданной водителем траектории при различных режимах движения (разгоне, торможении, движении по прямой, в поворотах и при свободном качении).
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
573
В зависимости от производителя различают следующие систе�
мы курсовой устойчивости:
ESP (Electronic Stability Programme) на большинстве авто�
мобилей в Европе и Америке;
ESC (Electronic Stability Control) на автомобилях Honda,
Kia, Hyundai;
DSC (Dynamic Stability Control) на автомобилях BMW,
Jaguar, Rover;
DTSC (Dynamic Stability Traction Control) на автомобилях
Volvo;
VSA (Vehicle Stability Assist) на автомобилях Honda, Acura;
VSC (Vehicle Stability Control) на автомобилях Toyota;
VDC (Vehicle Dynamic Control) �����������������������������
на���������������������������
��������������������������
автомобилях���������������
Infiniti, Nis�
san, Subaru;
VDIM (Vehicle Dynamics Integrated Management) ����������
на��������
�������
автомо�
билях Toyota.
Статистика показывает, что электронная система стабилизации
существенным образом влияет на безопасность движения. Напри�
мер, по данным «Даймлер-Крайслер» с момента внедрения ESP
в серию количество аварий из-за потери водителем контроля над
автомобилем снизилось на 42 %. Американская национальная
служба безопасности движения NHTSA дает близкий показатель —
35 %. Количество смертей в таких ДТП уменьшилось в США на 30 %.
В систему стабилизации управления автомобилем входят:
ABS (антиблокировочная система). Предотвращает блоки�
ровку колес при торможении;
ABSplus (расширенная антиблокировочная система). Эта
системы представляет собой программное расширение в блоке
управления ABS/ESP. Система ABSplus позволяет на дороге без
твердого покрытия (например, щебень или песок) достичь сокра�
щения тормозного пути на величину до 20 %. ABSplus использует
датчики системы ESP. На основании данных датчиков ABS и бло�
ка управления ABS система распознает характер дорожного по�
крытия. Сокращение тормозного пути достигается за счет кратков�
ременного контролируемого блокирования колес. При этом перед
заблокированными колесами образуется «буртик» из материала
дорожного покрытия, который оказывает тормозящее воздействие
и тем самым укорачивает тормозной путь. Через определенные
574
Глава 15. Системы безопасности
промежутки времени колеса деблокируются и начинают вращаться,
в результате чего сохраняется управляемость автомобиля;
EBV или EBD (система динамической стабилизации управления автомобилем или электронное распределение тормозных
усилий). Распределение масс в современном автомобиле таково,
что на заднюю ось приходится существенно меньшая нагрузка,
чем на переднюю. Для сохранения курсовой устойчивости автомобиля тормозные усилия должны распределяться таким образом,
чтобы колеса передней оси блокировались раньше колес задней
оси. При резком торможении происходит дополнительное перераспределение нагрузки на переднюю ось. В результате нагрузка,
приходящаяся на заднюю ось, уменьшается, а следовательно, уменьшается максимальная сила сцепления с дорожным покрытием,
и задние колеса могут оказаться заблокированными. Автомобиль
с заблокированными задними колесами неустойчив и может в любой момент сорваться в неконтролируемый занос. Для предотвращения такого критического состояния используется функция электронного перераспределения тормозных усилий (EBV);
GMB (система воздействия на разворачивающий момент).
Уменьшает разворачивающие моменты, стремящиеся повернуть
автомобиль относительно вертикальной оси при торможении на
участках дорожного полотна с различными сцепными свойствами
(выбоины, заполненные щебнем; разная степень износа дорожного
полотна). Программное расширение системы ABS дает возможность отреагировать на возникновение разворачивающего момента
за счет того, что установление различного давления в правых и левых
тормозных механизмах будет происходить по-разному и с определенной временной задержкой;
TSC, ASC, ASR (антипробуксовочная система). Снижает риск
буксования ведущих колес при разгоне, своевременно уменьшая
крутящий момент двигателя и подтормаживая буксующее колесо;
EDS (электронная блокировка дифференциала). Система
срабатывает, когда одно из колес начинает проскальзывать (прокручиваться) при разгоне и подтормаживает прокручивающееся
колесо. Приложение к проскальзывающему колесу определенного
тормозного момента увеличивает передаваемый к этому колесу
крутящий момент. В результате дифференциал получает возможность передать больший крутящий момент и к непроскальзывающему колесу той же оси;
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
575
ATTS (система активного распределения крутящего момента). Перераспределяет крутящий момент между ведущими колесами, убирая излишек тяговой силы с внутреннего колеса и перебрасывая его на более нагруженное внешнее;
EBC (система управления торможением двигателем). Предотвращает блокировку ведущих колес при торможении двигателем в результате внезапного отпускания педали акселератора или
при торможении с включенной передачей;
HBA (гидравлический тормозной ассистент) или BAS, PA,
PABS. Электронная система управления давлением в гидравлической части тормозной системы. В случае необходимости экстренного торможения и недостаточного при этом усилия на педали
тормоза самостоятельно повышает давление в тормозной магистрали, делая это во много раз быстрее, чем на то способен человек;
FBS (Fading Brake Support) (система повышения эффективности тормозов при нагреве). Предотвращает недостаточное сцепление тормозных колодок с тормозными дисками, возникающее
при нагреве, путем дополнительного увеличения давления в тормозном приводе;
ACC (active cornering control) �������������������������
или����������������������
CATS, ACE, BCS. �����
Автоматическая система стабилизации поперечного положения кузова
в поворотах, а в некоторых случаях и изменяемого хода подвесок,
главную роль в которой играют активные элементы подвески;
ETCS (electronic throttle control system). ���������������
Электронная система управления положением дроссельной заслонки;
ROP (Roll Over Prevention) (система предотвращения опрокидывания);
HDC (Hill Descent Control). Ассистент движения на спуске
помогает водителю при движении по горным дорогам;
HHC (Hill Hold Control). Ассистент трогания на подъеме;
динамическое рулевое управление изменяет передаточное
отношение рулевого механизма в зависимости от скорости движения автомобиля и угла поворота рулевого колеса;
система предотвращения столкновения (система автоматического регулирования дистанции), для автомобилей, оснащенных
адаптивным круиз-контролем. Система предотвращает опасность
столкновения с помощью визуальных и звуковых сигналов, а в критической ситуации — путем нагнетания давления в тормозной системе (автоматического включения насоса обратной подачи).
576
Глава 15. Системы безопасности
В ESP может применяться система удаления влаги с тормозных дисков, которая активируется на скорости свыше 50 км/ч
и при включенных стеклоочистителях. Принцип работы системы
заключается в кратковременном повышении давления в контуре
передних колес, за счет чего тормозные колодки прижимаются
к дискам и происходит испарение влаги.
Кроме указанных, в ESP могут входить и другие системы.
Ниже рассматривается устройство и принцип действия системы курсовой устойчивости и отдельных ее составляющих на примере наиболее распространенной системы ESP.
15.1.2. Система динамической стабилизации
управления автомобилем
Конструктивные узлы ESP (рис. 15.1) включают основные
конструктивные узлы ABS. Устройство и принцип действия ABS
рассмотрены выше.
Принципиальное отличие ESP от ABS в том, что она непрерывно следит за соответствием ускорений автомобиля по желанию
водителя, выраженному в повороте рулевого колеса, в то время
как ABS включается только при торможении. Если блок управления ESP вычисляет, что ускорения автомобиля достигли критических значений (начинается занос), система приступает к подтормаживанию колес, сбросу или прибавлению скорости вращения
колес.
Управление автомобилем с системой ESP учитывает три степени свободы автомобиля на плоскости дороги (продольная и поперечная составляющие движения и поворот относительно вертикальной оси).
Входные датчики фиксируют конкретные параметры автомобиля и преобразуют их в электрические сигналы. С помощью датчиков система динамической стабилизации оценивает действия
водителя и параметры движения автомобиля. Блок управления
системы ESP принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства подконтрольных систем активной безопасности. При необходимости блок использует информацию из блока управления системы управления
двигателем и блока управления автоматической коробки передач.
577
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
10
19
2
11
17
3
4
5
16
6
7
1
8
9
12
13
14
18
15
Рис. 15.1. Общая компоновка электронной системы стабилизации
управления автомобилем (на примере Skoda Fabia):
1 — гидравлический блок с блоком управления ABS EDL/TCS/ESP; 2 — датчик давления в тормозной системе; 3 — датчик бокового ускорения; 4 — датчик рысканья; 5 — кнопочный выключатель систем TCS/ESP; 6 — датчик
угла поворота рулевого колеса; 7 — выключатель стоп-сигнала; 8–11 — датчики частоты вращения колес; 12 — диагностический разъем; 13 — контрольная
лампа двухконтурной тормозной системы и стояночного тормоза; 14 — контрольная лампа ABS; 15 — контрольная лампа TCS/ESP; 16 — динамика автомобиля и поведение водителя; 17 — ЭБУ работой двигателя; 18 — ЭБУ
работой коробкой передач (только на моделях с автоматической коробкой
передач); 19 — активный усилитель тормозной системы
Оцениваются сигналы от датчика угла поворота 6 рулевого колеса, датчика давления 2 в тормозной системе и от ЭБУ управления работой двигателя 17. Помимо скорости движения автомобиля
в вычисления также входят необходимые характеристики коэффициентов сцепления между шинами и дорожным покрытием. Эти
параметры оцениваются на основе сигналов, получаемых от датчиков частоты вращения колес 8–11, датчика бокового ускорения 3,
датчика рыскания 4 и датчика давления в тормозной системе 2.
Датчик бокового ускорения сообщает блоку управления о боковом
578
Глава 15. Системы безопасности
сносе автомобиля, в то время как датчик рысканья сигнализирует
о склонности к заносу. Затем вычисляется момент относительно
вертикальной оси, который необходим для приближенного приведения параметров действительного состояния к параметрам требуемого состояния.
Вся эта информация анализируется модулем управления для
расчета направления движения, задаваемого рулевым управлением,
и распознавания поведения автомобиля. Система ESP определяет,
какое колесо должно быть ускорено или подторможено и насколько резко следует изменить крутящий момент двигателя, а также
необходимость активизации блока управления коробкой передач
(на моделях с автоматической коробкой передач).
Цикл управления завершается при успешном результате, и система управления переходит к слежению за поведением автомобиля. Если устойчивость движения не восстановлена, то цикл управления повторяется. Активация цикла управления сопровождается
миганием контрольной лампы системы курсовой устойчивости.
Для работы системы динамической стабилизации используется гидравлический блок системы ABS/TSC.
Определение наступления аварийной ситуации осуществляется путем сравнения действий водителя и параметров движения
автомобиля. В случае, если действия водителя (желаемые параметры движения) отличаются от фактических параметров движения
автомобиля, включается система ESP.
Притормаживание колес система осуществляет через гидромодулятор ABS, создающий давление в тормозной системе. Одновременно (или до этого) на блок управления двигателем поступает
команда на сокращение подачи топлива и, следовательно, уменьшение крутящего момента на колесах.
ESP выбирает тормозные усилия для каждого колеса отдельно
таким образом, чтобы результирующая тормозных сил противодействовала моменту, стремящемуся развернуть автомобиль вокруг
вертикальной оси, и удерживала его на оптимальной траектории.
Если автомобиль плохо входит в поворот и скользит передними
колесами наружу (недостаточная поворачиваемость) (рис. 15.2, а),
ESP притормаживает внутреннее заднее колесо. Если автомобиль
в результате заноса задней части пытается повернуть круче, чем необходимо (избыточная поворачиваемость) (рис. 15.2, б), ESP исправляет ошибку притормаживанием наружного переднего колеса.
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
а
579
б
Рис. 15.2. Траектория движения на повороте с ESP (сплошная линия)
и без ESP (прерывистая линия):
а — недостаточная поворачиваемость; б — избыточная поворачиваемость
Чтобы предотвратить занос заднеприводного автомобиля, ESP
уменьшает частоту вращения коленчатого вала двигателя. Благодаря этому возникает стабилизирующий момент сил, возвращающий автомобиль на безопасную траекторию движения.
При угрозе опрокидывания автомобиль стабилизируется за
счет уменьшения поперечного ускорения, которое достигается достаточно сильным притормаживанием передних колес и одновременным снижением крутящего момента двигателя.
Изменение крутящего момента двигателя в системе ESP может
осуществляться несколькими путями:
изменением положения дроссельной заслонки;
пропуском впрыска топлива;
пропуском импульсов зажигания;
изменением угла опережения зажигания;
отменой переключения передачи в АКПП;
перераспределением крутящего момента между осями (при
наличии полного привода).
Функция стабилизации автопоезда используется на автомобилях с тягово-сцепным устройством. Слабое рыскание прицепа при
определенных условиях может усилиться до опасных значений. Это
происходит, как правило, в скоростном диапазоне 75...120 км/ч.
Если прицеп начал рыскать при некоторой критической скорости,
580
Глава 15. Системы безопасности
то амплитуда рыскания постоянно увеличивается (явление резонанса). Рыскание передается буксиру, который тоже начинает совершать колебательные движения влево и вправо вокруг вертикальной оси. Такие колебательные движения регистрируются датчиком
угла рыскания и анализируются блоком управления. При необходимости сначала оказывается регулирующее воздействие то на одно,
то на другое переднее колесо. Если этого недостаточно, блок управления посылает сигнал блоку управления двигателя на уменьшение частоты вращения коленчатого вала, чтобы сбросить скорость,
при этом одновременно притормаживаются все четыре колеса.
Наличие прицепа, подключенного к электросети автомобиля,
распознается блоком управления автоматически. Функция стабилизации автопоезда отключается, потому что поведение автомобиля в условиях бездорожья может быть ошибочно принято за рыскание прицепа.
Современные системы ESP могут притормаживать одновременно до трех колес, причем каждое с разным усилием.
Кроме притормаживания колес, ESP может автоматически вмешиваться в рулевое управление, выбирая наиболее оптимальный
в данной ситуации угол поворота рулевого колеса, а также изменять характеристики амортизаторов подвески и трансмиссии. Если
система ESP выявит склонность водителя к гоночному стилю, порог чувствительности системы снижается, чтобы приспособиться
к данному стилю вождения. Система ESP может принудительно
отключаться по желанию водителя, но после выключения зажигания ESP вновь активируется.
Электронная блокировка дифференциала EDS применяется для
устранения пробуксовки колес при сохранении приемлемых ходовых качеств автомобиля без вмешательства водителя. Устройство
управления блокировкой дифференциала контролирует при помощи датчиков ABS частоту вращения колес.
Если дорожное покрытие под одной стороной автомобиля скользкое, вследствие чего при скорости до 80 км/ч возникает различие
в частоте вращения ведущих колес примерно в 100 об/мин, тогда
путем притормаживания пробуксовывающего колеса частота вращения колес выравнивается, а на другое колесо посредством действия дифференциала передается повышенное тяговое усилие.
Для того чтобы тормозной механизм приторможенного колеса
слишком сильно не нагревался, блокировка дифференциала при
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
581
больших нагрузках автоматически отключается. Как только тормозной механизм охладится, противобуксовочная система колеса
автоматически включается вновь.
При необходимости ESP вмешивается в работу системы управления двигателем и изменяет крутящий момент в соответствии
с ситуацией.
Принцип действия системы. В исходном положении (рис. 15.3, а)
ЭБУ управления системой не подает управляющих сигналов на
исполнительные механизмы и подтормаживания колес не происходит. Если ЭБУ определяет необходимость подтормаживания,
возвратный насос ABS 4 через открытый впускной клапан 7 подает жидкость в тормозной контур и давление быстро нарастает,
при этом колодка тормозного механизма прижимается к диску
и происходит подтормаживание колеса (рис. 15.3, б). В случае необходимости поддержания давления в тормозном контуре впускной клапан 7 закрывается (рис. 15.3, в), а выпускной клапан 5
остается закрытым. Давление в рабочем тормозном цилиндре
остается неизменным. Возвратный насос ABS 4 останавливается
и клапан высокого давления 3 закрывается.
Если ЭБУ определяет необходимость снижения давления в системе для растормаживания, распределительный клапан 1 открывается, изменяя направление течения жидкости на противоположное (рис. 15.3, г). Впускной клапан 7 остается закрытым, выпускной
клапан 5 открыт. Тормозная жидкость свободно течет обратно через
главный тормозной цилиндр в бачок.
Основные компоненты системы. Гидравлический блок с блоком управления ABS EDL/TCS/ESP аналогичен описанному выше
гидравлическому блоку ABS, но включает дополнительно возвратный насос.
Активный усилитель тормозной системы может устанавливаться в отдельных системах ESP. Наряду с обычной задачей увеличения усилия, которое прикладывается к тормозной педали,
за счет разрежения, создаваемого впускным коллектором или вакуумным насосом, усилитель тормозной системы создает предварительное давление, необходимое для работы ESP.
Потребность в предварительном давлении вызвана тем, что насосу обратной подачи не всегда хватает мощности для нагнетания
требуемого давления по причине высокой вязкости тормозной
582
Глава 15. Системы безопасности
а
б
3
5
2
6
4
1
в
7
г
Рис. 15.3. Принципиальная схема работы контура одного колеса системы
стабилизации управления автомобилем:
а — исходное положение (система не работает); б — увеличение давления
в контуре; в — поддержание давления в контуре; г — снижение давления
в контуре; 1 — распределительный клапан; 2 — тормозной сервопривод; 3 —
клапан высокого давления; 4 — возвратный насос ABS; 5 — выпускной клапан;
6 — рабочий тормозной цилиндр колеса; 7 — впускной клапан
жидкости при низких температурах. Когда возникает необходимость в срабатывании системы ESP, по сигналу блока управления
катушка электромагнита 3 (рис. 15.4) сдвигает вперед металлический сердечник 4 и открывает клапаны внутри клапанного узла.
При этом, как при нажатии педали тормоза, в первой камере из-за
возникшего сообщения с атмосферой увеличивается давление
(во второй камере по-прежнему разрежение), усилитель создает
в тормозной системе контролируемое двумя датчиками давление.
Датчик угла поворота рулевого колеса (рис. 15.5) устанавливается на рулевой колонке. Предохранительное кольцо с часовой
пружиной для подушки безопасности объединены с датчиком угла
поворота рулевого колеса. Датчик определяет угол поворота в ±720°,
что соответствует четырем полным оборотам рулевого колеса. При
включении зажигания датчик активизируется при первом повороте
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
2
1
583
3
1
4
Рис. 15.4. Активный усилитель
тормозной системы:
Рис. 15.5. Датчик угла поворота
рулевого колеса:
1 — вторая камера; 2 — первая камера;
3 — катушка электромагнита; 4 — металлический сердечник
1 — предохранительное кольцо с часовой пружиной для подушки безопасности
рулевого колеса на 4,5°, что соответствует перемещению по окружности рулевого колеса на 1,5 см.
Датчик бокового ускорения представляет собой элемент на печатной плате интегрированного датчика. Упрощенно можно представить конструкцию датчика как подвешенную в центре подвижную массу 4 с прикрепленными к ней пружинными пластинками 5
(рис. 15.6).
а
2
К1
3
4 5
б
6
К2
С2
1
7
С1
Рис. 15.6. Датчик бокового ускорения:
а — отсутствие ускорений; б — наличие ускорений; 1 — электрод; 2 — направление движения автомобиля; 3, 7 — неподвижные пластинки конденсатора; 4 —
подвижная масса; 5 — пружинная пластина; 6 — пластинка конденсатора на
подвижной массе; К1, К2 — конденсаторы; С1, С2 — емкости конденсаторов
584
Глава 15. Системы безопасности
Масса способна перемещаться в одном направлении в обе стороны. Две другие неподвижные пластинки конденсатора 3 и 7 окружают пластинки, соединенные с подвижной массой. Таким образом, получаются два последовательно соединенных конденсатора К1
и К2. Их емкости C можно измерить и сравнить на электродах.
При отсутствии ускорения заряд конденсаторов одинаковый.
Как только возникает поперечное ускорение, масса в силу инерции переместится относительно неподвижных пластинок в противоположном от ускорения направлении. Изменение расстояния
между пластинками конденсаторов приводит к изменению их емкостей. В данном примере расстояние между пластинками конденсатора К1 больше, чем между пластинками конденсатора К2, поэтому емкость С1 меньше. Емкость С2 больше, так как расстояние
между пластинками конденсатора К2 меньше.
Датчик рыскания (угловой скорости) располагается в дополнение к датчику бокового ускорения на печатной плате (рис. 15.7).
Принцип работы датчика заключается в следующем. Колеблющаяся масса 6 подвешена в поле постоянного магнита между южным 2 и северным 4 полюсами. Печатные проводники 5 объединены
с колеблющейся массой, которая фактически и является датчиком.
Если приложить переменное напряжение U, то подвижная масса
с печатными проводниками начнет колебаться в магнитном поле.
а
б
3
4
5
6
2
7
1
U~
9
8
Рис. 15.7. Датчик рыскания (угловой скорости):
а — прямолинейное движение; б — движение при угловых ускорениях; 1 —
держатель; 2 — южный полюс; 3 — направление движения; 4 — северный полюс; 5 — печатные проводники; 6 — колеблющаяся масса; 7 — прямолинейное
колебание под действием переменного напряжения; 8 — угловая скорость; 9 —
ускорение в результате действия Кориолисовой силы
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
585
При возникновении углового ускорения появится отклонение от
прямолинейного колебательного движения, так как возникнет ус
корение от Кориолисовой силы.
Эффект Кориолисовой силы заключается в следующем. Если
выстрелить из пушки горизонтально в Северном полушарии Земли,
то относительно наблюдателя на Земле ядро отклонится от пря
молинейной траектории (рис. 15.8).
Причина в Кориолисовой силе, которая проявляется для на
блюдателя как ускорение ядра в противоположном от вращения
Земли направлении.
Так как все происходит в магнитном поле, то электрическая
характеристика печатных проводников изменится. Это изменение
является мерой интенсивности и направления ускорения от Ко
риолисовой силы. По анализу колебаний электроника рассчитает
по полученным значениям угловую скорость.
Датчик давления в тормозной системе крепится к гидрав
лическому блоку и служит для определения и передачи в ЭБУ
значения давления в тормозной системе при торможении. По по
лученному значению блок управления рассчитывает тормозные
усилия на колесах и продольную силу, действующую на автомо
биль. При необходимости выполнения управляющего цикла по
лученное значение используется блоком управления для расчета
сил, действующих на автомобиль в повороте.
Основными компонентами датчика являются пьезоэлектриче
ский элемент 2, находящийся под давлением тормозной жидкости,
и электронная часть 1 (рис. 15.9).
1
2
Кориолисова сила
Направление
вращения Земли
Рис. 15.8. Эффект Кориолисовой
силы
Рис. 15.9. Пьезоэлектрический
датчик давления
586
Глава 15. Системы безопасности
Под действием давления тормозной жидкости распределение
заряда в пьезоэлектрическом элементе меняется, и величина напряжения зависит от давления в тормозной системе.
Гидравлический тормозной ассистент (усилитель экстренного торможения). Исследования показывают, что многие водители
вследствие отсутствия достаточного опыта при торможении в экстренных ситуациях недостаточно сильно воздействуют на тормозную педаль. Таким образом, в тормозной системе не достигается
максимально возможное давление, поэтому тормозной путь больше минимально возможного.
Чтобы избежать таких ситуаций, применяется гидравлический
тормозной ассистент, который позволяет при необходимости помочь водителю полностью использовать тормозные качества автомобиля.
По скорости движения автомобиля и величине силы нажатия
на тормозную педаль усилитель экстренного торможения опознает
возникновение аварийной ситуации. Посредством действия усилителя давление в тормозной системе повышается до максимально возможного в пределах, устанавливаемых антиблокировочной
системой для предотвращения блокировки колес. Таким образом,
достигается максимальная по данным условиям эффективность
торможения и тем самым минимально возможный тормозной путь.
В настоящее время имеются два вида усилителей — гидравлические и механические. В механических усилителях повышение
давления в тормозной системе и опознание аварийной ситуации
осуществляются благодаря определенным механическим устройствам в вакуумном усилителе тормозов.
Как для гидравлического, так и для механического усилителя
экстренного торможения необходимо наличие специальных ус
тройств управления торможением и стабилизацией движения автомобиля. Поэтому в настоящее время усилители экстренного
торможения могут быть применены только на автомобилях, оснащенных противозаносной системой (системой динамической стабилизации ESP).
В качестве примера рассмотрим гидравлический усилитель
экстренного торможения фирмы Bosch (рис. 15.10). Основным
узлом усилителя является гидромодуль со встроенным блоком
управления ABS и обратным насосом. Датчик давления в тормозной
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
а
587
б
8
5
7
4
6
9
3
2
10
11
12
1
13
Рис. 15.10. Усилитель экстренного торможения:
а — начало торможения; б — достижение порога блокировки; 1 — гидравлический модуль; 2, 7 — клапаны переключения гидромодуля электронного
блока управления двигателем; 3 — гидроаккумулятор; 4 — электронный блок
управления; 5 — выключатель сигналов торможения; 6 — датчик давления
в тормозной системе; 8 — вакуумный усилитель; 9, 11 — клапана переключения высокого давления; 10 — обратный насос; 12 — тормозной цилиндр; 13 —
датчик частоты вращения колеса
системе в гидромодуле, датчики частоты вращения колес и выключатель сигналов торможения подают на усилитель экстренного
торможения сигналы, посредством которых усилитель опознает аварийную ситуацию, требующую немедленной остановки автомобиля.
Повышение давления в тормозной системе осуществляется путем подачи соответствующего управляющего сигнала на определенные клапаны в гидромодуле, обратный насос ABS и противозаносной системы.
Действие усилителя экстренного торможения осуществляется
в две фазы:
начало действия усилителя — фаза 1;
окончание действия усилителя — фаза 2.
В начале торможения (рис. 15.10, а) при нажатии водителем на
тормозную педаль клапан переключения 7 в гидромодуле открыт,
а клапан переключения высокого давления 9 открывается. Благодаря насосу давление, которое повышается при включении обратного насоса, непосредственно подается к колесным тормозным
цилиндрам, что ускоряет действие тормозной системы.
588
Глава 15. Системы безопасности
При срабатывании ABS клапан переключения 7 закрывается
(рис. 15.10, б), а клапан переключения высокого давления 9 открывается. Под действием обратного насоса давление в тормозной
системе остается ниже порога блокировки.
Если водитель уменьшает давление на тормозную педаль, усилитель экстренного торможения не работает. Электронный блок
управления распознает, что критическая ситуация завершилась
и переходит в фазу 2. При этом давление в тормозных цилиндрах
соответствует только давлению водителя на педаль. Переход усилителя из фазы 1 в фазу 2 происходит не скачкообразно, а плавно.
При этом усилитель постепенно снижает свою долю в суммарном
давлении в тормозной системе. Если опасности при торможении
не существует и водитель адекватно сложившейся ситуации нажимает на тормозную педаль, процесс торможения начинает осуществляться в обычном режиме.
Критическая ситуация при торможении опознается по сигналу
датчика выключателя сигналов торможения 5 (тормозная педаль
нажата); сигналам датчиков частоты вращения колеса 13, показывающих скорость движения автомобиля; сигналу датчика давления 6 в тормозной системе, показывающему, как быстро и с какой
силой водитель воздействует на тормозную педаль. Скорость и сила
воздействия на тормозную педаль оцениваются по повышению
давления в главном тормозном цилиндре в определенный промежуток времени.
Усилитель экстренного торможения не срабатывает, если тормозная педаль не нажата или же ее нажимают слишком медленно;
изменение давления остается ниже порога срабатывания; скорость
автомобиля невысокая; водитель нажал тормозную педаль достаточно сильно.
Система предотвращения опрокидывания. Эта функция предназначена для своевременного реагирования на силы и моменты
сил, которые могут привести к опрокидыванию или переворачиванию автомобиля, и является программным расширением системы
ESP.
При движении в повороте автомобиль испытывает воздействие
вращающего момента относительно продольной оси (крен кузова).
Практически все автомобили при резком объезде внезапно возникшего препятствия даже на дорожном покрытии с хорошим сцепле-
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
589
Центр тяжести
автомобиля
Боковая
сила
Плечо рычага
Рис. 15.11. Схема действия сил при повороте автомобиля
нием подвергаются опасности опрокидывания. Вращающийся момент возникает из-за того, что центробежная сила и боковая сила
сцепления колес с дорогой приложены в разных точках (в центре
масс и в точке контакта шин с дорогой) (рис. 15.11).
Поскольку шины располагают достаточным запасом сцепления,
схему действующих сил можно представить себе как рычаг, точка
опоры которого находится в месте контакта шин с дорогой. Длина
плеча рычага определяется расположением центра масс автомобиля. Чем выше располагается центр масс, тем более длинное плечо
будет у рычага. Если центр тяжести будет расположен очень высоко, то уже небольшое боковое усилие сможет привести к опрокидыванию автомобиля.
Система ROP предназначена для предотвращения таких ситуаций в самом начале их возникновения. В ней используются основные компоненты ESP. Датчики системы ESP улавливают перемещение кузова и передают информацию о нем блоку управления ESP.
В памяти функции ROP заложены характеристики, сравнение
с которыми позволяет ESP распознать в поступающих от датчиков
сигналах признаки приближающейся опасности опрокидывания
автомобиля. Поскольку опасность опрокидывания с увеличением
высоты загрузки возрастает, на некоторых моделях предельные
значения для ROP задаются как функция от рассчитанной массы
автомобиля.
При распознавании опасности опрокидывания включается
функция предотвращения опрокидывания ROP. Автомобиль стабилизируется уменьшением поперечного ускорения. Для этого
590
а
Глава 15. Системы безопасности
б
Рис. 15.12. Схема действия системы предотвращения опрокидывания:
а — при движении в повороте с постоянной скоростью; б — при объезде препятствия
система ESP подтормаживает переднее внешнее (по отношению
к повороту) колесо с помощью насоса обратной подачи и при наличии активного усилителя тормозов (рис. 15.12). Кроме того,
уменьшается крутящий момент двигателя. В результате возникает
момент сил, противостоящий направленным во внешнюю сторону
боковым силам, тем самым предотвращается боковое раскачивание автомобиля, которое может привести к его опрокидыванию.
Ассистент движения на спуске. Если автомобиль находится
на наклонной плоскости, действующая на него сила тяжести раскладывается по правилу параллелограмма на нормальную и параллельную
составляющие (рис. 15.13). Последняя
FH
представляет собой действующую на авFA
томобиль скатывающую силу FH.
FN
Если на автомобиль действует собFG
ственная сила тяги, то она добавляется
к скатывающей силе FA. Скатывающая
сила действует на автомобиль постоянно, независимо от скорости автомобиля.
Рис. 15.13. Схема дейВследствие этого автомобиль, скатыва- ствия сил при движении
автомобиля на спуске:
ющийся по наклонной плоскости, будет
все время ускоряться, т.е. двигаться тем FA — сила тяги; FG — сила
быстрее, чем дольше он скатывается. тяжести (вес автомобиля);
F — скатывающая сила;
Чтобы удерживать постоянной скорость FH — нормальная составляN
автомобиля без ассистента движения
ющая силы тяжести
15.1. Электронная система стабилизации управления автомобилем
591
на спуске, водителю необходимо будет тормозить и/или включать
понижающую передачу и снимать ногу с педали акселератора. Для
облегчения действий водителя в этих условиях и обеспечения безопасности при спуске применяется ассистент движения на спуске,
который задействуется при выполнении следующих условий: скорость автомобиля меньше 20 км/ч, уклон превышает 20 %, двигатель работает, педали акселератора и тормоза не нажаты. При
выполнении указанных условий получаемые ассистентом данные
о положении педали акселератора, частоте вращения коленчатого
вала двигателя и скорости вращения колес (которая слегка превышает скорость пешехода) свидетельствуют об увеличении скорости
автомобиля. Ассистент при этом исходит из того, что автомобиль
скатывается на спуске и необходимо задействовать тормозную систему. Скорость автомобиля, которую тормозной ассистент должен
поддерживать с помощью подтормаживания всех колес, зависит от
скорости, с которой было начато движение на спуске, и включенной передачи. В этом случае ассистент движения на спуске включает насос обратной подачи. Клапаны высокого давления 3 и впускные клапаны 7 ABS открываются, а выпускные клапаны 5 ABS
закрываются (см. рис. 15.3). В тормозных цилиндрах колес создается тормозное давление, и автомобиль замедляется.
При снижении скорости автомобиля до безопасного значения
ассистент движения на спуске прекращает подтормаживание колес
и вновь снижает давление в тормозной системе. Если после этого
скорость начинает увеличиваться при не нажатой педали акселератора, ассистент исходит из того, что автомобиль по-прежнему
движется по спуску. Таким образом, скорость автомобиля постоянно удерживается в безопасном диапазоне, который легко может
управляться и контролироваться водителем.
Ассистент трогания на подъеме. При остановке на подъеме на
автомобиль действует скатывающая сила FH (см. рис. 15.13), т.е. сила,
под воздействием которой автомобиль начнет скатываться назад,
если отпустить тормоз. При трогании автомобиля после остановки на подъеме его тяговое усилие сначала должно уравновесить
скатывающую силу. Если водитель нажмет педаль акселератора
слишком слабо или же отпустит педаль тормоза (или стояночный
тормоз) слишком рано, сила тяги окажется меньше скатывающей
силы, и автомобиль, прежде чем тронуться, начнет скатываться назад.
592
Глава 15. Системы безопасности
Чтобы обеспечить комфортное и безопасное трогание автомобиля,
находящегося на подъеме, в некоторых конструкциях предусмотрен ассистент трогания на подъеме, который облегчает трогание
на подъеме, позволяя выполнить его, не прибегая к помощи стояночного тормоза. Для этого ассистент при трогании замедляет уменьшение тормозного давления в гидравлической системе, предотвращая
скатывание автомобиля назад, пока сила тяги еще недостаточна
для компенсации скатывающей силы.
Ассистент задействуется при выполнении следующих условий:
автомобиль неподвижен, подъем превышает 5 %, двигатель работает, дверь водителя закрыта.
Комплектация ассистента трогания на подъеме базируется на
системе ESP. Блок датчиков ESP дополняется датчиком продольного ускорения, распознающим положение автомобиля.
Работу ассистента можно подразделить на 4 фазы (рис. 15.14).
Фаза 1 — создание тормозного давления. Водитель останавливает или удерживает автомобиль нажатием педали тормоза. Клапан высокого давления закрыт. Впускной клапан открыт, в тормозном цилиндре создается необходимое давление. Выпускной клапан
закрыт. Тормозной момент достаточен для удержания автомобиля
от скатывания.
Фаза 2 — удержание тормозного давления. Водитель снимает
ногу с педали тормоза, чтобы перенести ее на педаль акселератора.
Ассистент трогания на подъеме в течение 2 с сохраняет тормозное
давление на том же уровне, чтобы предотвратить скатывание автомобиля назад. В контурах колес удерживается тормозное давление. Таким образом предотвращается преждевременное снижение
давления.
М, Нм
Фаза 1
Фаза 2
Фаза 3
Фаза 4
Рис. 15.14. Фазы работы
ассистента трогания
на подъеме
t, с
15.2. Система активного распределения крутящего момента
593
Фаза 3 — дозированное уменьшение тормозного давления.
Автомобиль все еще неподвижен. Водитель нажимает педаль акселератора. По мере того как двигатель увеличивает передаваемый
к колесам крутящий момент (момент тяги), ассистент трогания
уменьшает тормозной момент так, что автомобиль не скатывается
назад, но и не оказывается заторможенным при последующем трогании. Впускной клапан открыт.
Фаза 4 — сброс тормозного давления. Автомобиль трогается.
Момент тяги достаточен для трогания и последующего ускорения
автомобиля. Ассистент трогания на подъеме уменьшает тормозное
давление до нуля.
На автомобилях, оборудованных АКП, для безопасного трогания на подъеме может использоваться электрический стояночный
тормоз и сама АКП. Например, на автомобиле Touareg при температуре масла АКП меньше 10 °C функция троганания на подъеме
реализуется через БУ ABS с помощью электрического стояночного тормоза.
При температуре выше 10 °C функция реализуется АКП. Когда
блок управления АКП распознает (по сопротивлению движению)
подъем и одновременно с этим распознает скорость движения
«нуль», в коробке передач включается вторая передача, на которой
скатывание автомобиля назад невозможно, так как коронной шестерне двойного планетарного ряда пришлось бы в этом случае
вращаться в направлении, блокируемом муфтой свободного хода.
После того как момент тяги двигателя превысит момент скатывания, муфта разблокируется, автомобиль трогается с места без скатывания назад.
15.2. Система активного распределения
крутящего момента
Система активного распределения крутящего момента ATTS
(Active Torque Transfer System) служит для улучшения управляемости автомобиля.
При повороте автомобиля на его колеса действуют две главные
силы — тяговая, ускоряющая автомобиль, и боковая, заставляющая
его поворачивать. Обе они связаны с силой трения, возникающей
594
Глава 15. Системы безопасности
а
б
Рис. 15.15. Распределение сил на колесах при повороте:
а — обычного автомобиля; б — автомобиля с системой активного распределения крутящего момента
в пятне контакта. Сила трения, в свою очередь, ограничена лимитированными сцепными свойствами шины и покрытия.
Рассмотрим распределение сил на колесах при повороте автомобиля (рис. 15.15).
При повороте из-за действия центробежной силы внутреннее
колесо оказывается разгруженным, т.е. оно находится в худших
условиях по сцеплению с дорогой. Соответственно уменьшается
и та суммарная сила, сложенная из тяговой и боковой, которую
может воспринять колесо, и поэтому оно в меньшей степени способно ускорять и поворачивать автомобиль. Система ATTS перераспределяет крутящий момент между ведущими колесами, убирая излишек тяговой силы с внутреннего колеса и перебрасывая
его на более нагруженное внешнее. В результате у малонагруженной внутренней шины, освобожденной от излишка тяги, появляется больше возможностей для реализации боковой силы, так необходимой в повороте.
Увеличение крутящего момента на наружном колесе позволяет
создать дополнительный момент, который стремится «затащить»
автомобиль в поворот.
Задача перераспределения крутящего момента не только между
левым и правым колесами, но и задней и передней осями решена
компаниями Honda и Mitsubishi.
Система электронного управления (рис. 15.16) включает в себя
датчики угла поворота, бокового и углового ускорения, скорости
вращения колес, частоты вращения коленчатого вала двигателя
595
15.2. Система активного распределения крутящего момента
Датчики
5
6
7
8
9
4
3
2
15
10
1
14
13
17
16
11
12
Рис. 15.16. Схема трансмиссии полноприводного автомобиля
Mitsubishi Lancer Evolution VIII:
1 — коробка передач; 2 — двигатель; 3 — муфта блокировки межосевого дифференциала; 4 — блок управления дифференциалами; 5 — датчик угла поворота рулевого колеса; 6 — датчик положения дроссельной заслонки; 7 — колесные датчики ABS; 8 — датчики продольного ускорения; 9 — датчики
поперечного ускорения; 10 — задний активный дифференциал; 11 — гидронасос с гидроаккумулятором; 12 — лампа стоп-сигнала; 13 — датчик включения
стояночного тормоза; 14 — индикатор переключения режимов асфальт/гравий/снег; 15 — блок управления ABS; 16 — передний дифференциал; 17 —
межосевой дифференциал (50 : 50)
и давления воздуха на впуске, передаточного отношения в трансмиссии.
Информация от всех датчиков поступает в компьютер, который рассчитывает оптимальное распределение крутящего момента
по колесам. Электронный блок управления передает информацию
блоку управления дифференциалом для распределения момента
между осями и задними колесами в соответствии с условиями
движения. На нужную ось он перераспределяет от 30 до 70 % момента, на одно из задних колес — от 0 до 100 %. В обычных условиях до 70 % крутящего момента передается на передние колеса.
При больших ускорениях до 70 % крутящего момента поступает
на заднюю ось для улучшения динамики разгона и одновременной
стабилизации движения. При ускорении в повороте почти 100 %
крутящего момента может передаваться на заднее внешнее колесо
(рис. 15.17). Диаметрально противоположная картина возникает
596
Глава 15. Системы безопасности
2
1
3
Рис. 15.17. Траектория движения автомобиля с электронным приводом
управляемых колес:
1 — наибольший крутящий момент; 2 — траектория движения автомобиля
с электронным приводом управляемых колес; 3 — траектория движения автомобиля без электронного привода управляемых колес
при снижении скорости на изгибе дороги — крутящий момент будет передаваться на внутреннее колесо.
Существуют различия в приводе дисков сцеплений приводов
колес. Компания Mitsubishi в своих конструкциях применяет электрогидравлический привод, компания Honda — электромагнитный.
В дифференциале автомобилей Honda применяются электромагнитные многодисковые сцепления 4 (рис. 15.18). Каждое сцепление индивидуально передает крутящий момент к одному из
задних колес, правому или левому. Встроенные электромагнитные
соленоиды 3 изменяют положение сердечника магнита относительно его корпуса. Блок управления дифференциалом в зависимости от условий движения определяет, какой ток подать на магнит —
тем самым сжимая пакеты дисков и плавно меняя распределение
крутящего момента. Оба сцепления способны работать независимо
друг от друга.
Модули сцепления дополнены собственными планетарными
передачами 2.
Вместе с дифференциалом работает ускорительный модуль
с гидравлическим приводом (на рисунке не показан), включающий планетарную передачу и передающий крутящий момент на
ведущую шестерню 1 гипоидной передачи. Этот модуль позволяет
597
15.2. Система активного распределения крутящего момента
1
2
3
4
Рис. 15.18. Привод задних колес с электромагнитным сцеплением
сделать более надежным поведение автомобиля в крутых поворотах. Он принудительно «подкручивает» задние колеса в виражах.
В повороте траектория движения внешнего заднего колеса смещается наружу относительно траектории передних колес. При традиционной схеме трансмиссии заднее внешнее колесо вращается
медленнее передних и тем самым препятствует полноценной передаче мощности, в результате ухудшается управляемость и появляется риск заноса. Эту проблему решает ускорительный блок.
Во время движения по прямой шестерни планетарной передачи вращаются синхронно с карданным валом — скорость передних
и задних колес одинакова. При входе автомобиля в поворот гидравлический привод посредством еще одного модуля сцепления
включает планетарную передачу 2 в работу, при этом заднее колесо с нужной стороны «подкручивается» до оптимальной скорости.
Блок управления, воспринимая сигналы датчиков, может определять стиль вождения. Когда автомобиль едет прямо, фрикционы
разомкнуты и планетарные шестерни системы вращаются вхолостую, дифференциал поровну распределяет идущий от двигателя
крутящий момент между ведущими колесами.
598
Глава 15. Системы безопасности
Если водитель вводит автомобиль в поворот, держа ногу на педали акселератора, реакция электронной системы управления будет отличаться от ситуации, когда автомобиль описывает дугу по
инерции или при торможении. Один из фрикционов с помощью
исполнительного устройства частично или полностью блокируется и крутящий момент на колесах изменяется, что позволяет перераспределить его до 80 % с противоположного колеса.
При резком трогании с места у полноприводных автомобилей
возникает дефицит крутящего момента на колесах задней оси
и избыток — на передней. Чтобы этого не происходило, система
оборудована датчиком ускорения, фиксирующим момент, когда
необходимо перебросить энергию к задней оси. При спокойном
режиме движения больший момент передается на передние колеса, способствуя более стабильному поведению автомобиля.
Другие системы активного распределения крутящего момента
описаны в разделе «Полноприводная трансмиссия».
15.3. Динамическое рулевое управление
Система динамического рулевого управления позволяет устранить недостатки, присущие традиционным рулевым механизмам
с постоянным передаточным отношением. Передаточное отношение динамического рулевого механизма изменяется в зависимости
от скорости движения автомобиля и угла поворота рулевого колеса. При парковке, езде по извилистой дороге местного значения
или скоростном движении по автомагистрали динамическое рулевое управление в зависимости от каждой конкретной ситуации
обеспечивает оптимальное передаточное отношение рулевого механизма. Кроме того, динамическое рулевое управление участвует
в стабилизации автомобиля системой ESP, путем подруливания
управляемых колес и частичного или полного отказа от подтормаживания колес.
С помощью целенаправленного изменения угла поворота передних колес динамическое рулевое управление поддерживает работу системы ESP, что улучшает курсовую устойчивость автомобиля благодаря одновременному воздействию ESP на тормозные
механизмы и рулевое управление. Это особенно важно на высоких
599
15.3. Динамическое рулевое управление
скоростях (> 100 км/ч), так как динамическое рулевое управление
имеет преимущество благодаря малому времени реакции.
Система ESP использует динамическое рулевое управление при
избыточной и недостаточной поворачиваемости автомобиля, а также при торможении на дорожных покрытиях с разными коэффициентами трения под правыми и левыми колесами.
Реализация изменяемой характеристики осуществляется с помощью дополнительного электромеханического привода 3 (валашестерни) рулевого механизма, который преобразовывает заданный водителем угол поворота рулевого вала (рис. 15.19). Механическая связь между рулевым колесом и управляемыми колесами
осуществляется через суммирующий механизм.
Необходимость увеличения или уменьшения угла поворота
управляемых колес определяется блоком управления 1. Блок
управления управляет электродвигателем, который приводит один
из элементов суммирующего механизма. Блок управления рассчитывает необходимый угол подруливания для изменения передаточного отношения рулевого механизма. Основными параметрами
A
B
1
3
2
4
C
5
Рис. 15.19. Общая схема системы динамического рулевого управления:
1 — блок управления; 2 — управляющий сигнал; 3 — электромеханический
привод; 4 — вал-шестерня; 5 — рулевой механизм; A — вращение рулевого
колеса водителем; B — угол подруливания; C — заданный блоком управления
угол поворота управляемых колес
600
Глава 15. Системы безопасности
для проведения расчета являются скорость движения и заданный
водителем угол поворота рулевого колеса.
Угол поворота колес равен сумме угла подруливания, заданного
суммирующим механизмом, и угла поворота рулевого колеса, заданного водителем. Суммирующий механизм позволяет:
увеличить угол поворота колес, заданный водителем поворотом рулевого колеса (подруливание в направлении поворота);
уменьшить угол поворота колес, заданный водителем поворотом рулевого колеса (подруливание в противоположном направлении);
повернуть колеса без поворота рулевого колеса водителем.
Суммирующий (исполнительный) механизм предназначен для
корректировки угла поворота управляемых колес. Он приводит во
вращение вал-шестерню рулевого механизма. Суммирующий механизм представляет собой волновой редуктор, один из элементов
которого приводится электродвигателем. Характерной особенностью этого механизма является преобразование высокой частоты
вращения ротора электродвигателя в низкую.
Общий принцип работы волнового редуктора состоит в том, что
в зацеплении находятся две шестерни с различным числом зубьев
аналогично редуктору с качающейся шестерней (см. рис. 14.19).
В примененном для создания динамического рулевого управления
механизме электродвигатель приводит шестерню со 100 зубьями,
которая входит в зацепление с шестерней, имеющей 102 зуба. Достигаемое при этом понижение частоты вращения ротора электродвигателя относительно числа оборотов вала-шестерни составляет
примерно 50 : 1.
15.4. Круиз-контроль и система
автоматического регулирования дистанции
Круиз-контроль (англ. cruise control, нем. Tempomat) — устройство, поддерживающее постоянную скорость автомобиля на дорогах с гладким или переменным рельефом, автоматически прибавляя
ее при снижении скорости движения и уменьшая при ее увеличении, к примеру на спусках, без участия водителя. Удобен в дальних дорогах, когда утомительно удерживать длительное время педаль газа в одном положении. Устанавливается как на автомобили
15.4. Круиз-контроль и система автоматического регулирования дистанции
601
с автоматической коробкой передач, так и на автомобили с механикой.
Различают пассивный и активный круиз-контроль.
Пассивный круиз-контроль поддерживает постоянную скорость транспортного средства, начиная, как правило, с движения
в 30...40 км/ч. Водитель может установить любую скорость до некоторого верхнего предела, который обусловливается максимально допустимой частотой вращения коленчатого вала двигателя.
По принципу действия все системы круиз-контроля похожи.
В состав системы входит электронный блок управления, исполнительный механизм, датчик скорости, выключатель и регулятор.
Включение системы обычно осуществляется двумя переключателями. Один только включает или выключает круиз-контроль,
с помощью второго можно регулировать и изменять скорость движения до желаемой величины (рис. 15.20).
Датчик скорости может быть встроен в приводной механизм
спидометра. Информация от него поступает в блок управления,
где фактическое значение скорости сравнивается с заданным, после чего формируется сигнал исполнительному механизму.
Исполнительный механизм управляет дроссельной заслонкой,
обеспечивающей необходимую частоту вращения коленчатого вала
для поддержания заданной скорости. Привод механизма в более
2
1
3
4
5
6
Рис. 15.20. Схема пассивного круиз-контроля:
1 — кнопка включения; 2 — переключатель скорости; 3 — сигналы, поступающие в электронный
блок управления: частота вращения коленчатого
вала; масса воздуха, поступаемая в двигатель;
скорость движения автомобиля; включение тормозной педали и сцепления; 4 — сигнал включения и выключения; 5 — электронный блок управления; 6 — блок управления дроссельной
заслонкой с электроприводом
602
Глава 15. Системы безопасности
ранних конструкциях автомобилей осуществлялся за счет вакуумного привода. На современных автомобилях используются механизмы с электрическими исполнительными двигателями или комбинированный электропневматический привод.
Чтобы поддерживать заданную скорость движения, привод регулирует положение дроссельной заслонки, устанавливаемое блоком управления двигателем, в зависимости от сигналов, передаваемых от датчиков. В дизельных двигателях необходимая частота
вращения коленчатого вала поддерживается изменением количества топлива, подаваемого форсунками.
Скорость движения поддерживается независимо от аэродинамического сопротивления. При торможении скорость автомобиля
уменьшается, но после выключения тормозов система восстанавливает установленную скорость. Когда система включена, заданную скорость можно также изменить с шагом 1...5 км/ч, нажимая
кнопку и не трогая педаль акселератора.
Адаптивный круиз-контроль (система автоматического
регулирования дистанции (САРД)) похож на обычный круизконтроль тем, что он держит автомобиль на заранее установленной скорости. Однако в отличие от обычного эта система может
автоматически настроить скорость в целях поддержания надлежащего расстояния между транспортными средствами в той же полосе движения.
САРД дополняет традиционную систему регулирования скорости круиз-контроля автомобиля, которая автоматически поддерживает ее на заданном водителем уровне, повышая комфортность управления автомобилем. Кроме того, САРД обеспечивает
регулирование скорости автомобиля в соответствии с замедлением движущегося впереди него транспортного средства.
Система автоматического регулирования дистанции относится
к вспомогательным устройствам, предназначенным для повышения комфортности управления автомобилем. Она способствует
снижению психической нагрузки на водителя, повышая тем самым
активную безопасность автомобиля.
Основные компоненты системы показаны на рис. 15.21.
Управление САРД осуществляется в основном посредством кнопок на многофункциональном рулевом колесе 5 и отчасти педалей
акселератора и тормоза, как и при изменении скорости автомобиля.
15.4. Круиз-контроль и система автоматического регулирования дистанции
5
8
603
10
9
11
6 7
4
3
2
1
12
Рис. 15.21. Система автоматического регулирования дистанции
на примере автомобиля Volkswagen Phaeton:
1 — блок управления двигателем; 2 — блок управления с индикатором в комбинации приборов; 3 — шина данных системы «Комфорт»; 4 — блок управления электронной системой рулевой колонки; 5 — многофункциональное рулевое колесо; 6 — блок управления ABS с ESP; 7 — сигналы частоты вращения
колес; 8 — правый датчик САРД; 9 — шина данных в системе управления
силовым агрегатом; 10 — усилитель тормозного привода с электронным управлением; 11 — блок управления усилителем тормозного привода с реле отключения шины данных; 12 — блок управления автоматической коробкой передач
Кнопки на рулевом колесе соединены с блоком управления электронной системой рулевой колонки 4, который передает сигналы
на комбинацию приборов через шину данных 3 CAN, обслуживающую систему «Комфорт».
В средней части щитка приборов находится дисплей, куда выводится информация о работоспособности САРД, параметры, заданные водителем, предупреждающие указания о включенной или
выключенной системе, изображение автомобиля, если впереди находится транспортное средство, время преодоления дистанции до
движущегося впереди транспортного средства и др. Информация
может сопровождаться звуковыми сигналами.
При снижении скорости автомобиля до 30 км/ч и при превышении 180 км/ч САРД автоматически отключается. Она отключается также при вводе в действие тормозной системы в результате
604
Глава 15. Системы безопасности
активизации системы стабилизации, противобуксовочной или антиблокировочной системы.
Для измерения дистанции в САРД предусмотрен радиолокационный датчик (радар), работающий в диапазоне миллиметровых
волн. Радар предупреждения о приближении к движущемуся впереди транспорту располагается за решеткой радиатора (рис. 15.22).
Радар работает с использованием радиоволн в высокочастотном диапазоне (выше 1 ГГц). Радиоволны испускаются вперед.
Когда волны достигают впереди идущего автомобиля, они отражаются и снова принимаются радаром. Время между отправкой и получением дает радару данные для расчета расстояния и для определения относительной скорости.
Радар позволяет производить измерения расстояний сразу до
нескольких объектов, находящихся в зоне его охвата, и определять
относительную скорость объектов, через которые проходит продольная ось автомобиля. По данным измерений рассчитывается
угол отклонения (азимут) объекта от оси зоны охвата датчика.
В корпусе радара находится быстродействующее вычислительное
устройство, которое позволяет расчетным путем определить упреждающее положение полосы следования; объект слежения; данные регулирования дистанции и скорости автомобиля; данные для
2 3
1
Рис. 15.22. Радар системы предупреждения о приближении
к движущимся впереди автомобилям:
1 — рассеиватель луча радара; 2 — электрический разъем;
3 — кронштейн крепления
15.4. Круиз-контроль и система автоматического регулирования дистанции
605
передачи на блоки управления двигателем, усилителем тормозного привода и комбинацией приборов; диагностические параметры.
На электронный блок ABS с ESP возложена функция управления процессами повышения и снижения давления в тормозном
приводе.
Усилитель тормозного привода с электронным управлением (активный усилитель) (рис. 15.23) служит для стабилизации
управления автомобилем и изменения расстояния до движущегося впереди транспортного средства путем плавного торможения
автомобиля с САРД.
В усилитель с последовательно расположенными вакуумными
камерами (типа «тандем») 12 встроены пропорционально действующий электромагнит 5, датчик 13 положения диафрагмы усилителя
и выключатель САРД 9. Якорь 10 электромагнита перемещается
4
5
6
3
7
2
1
8
15
9
14
10
13
11
12
Рис. 15.23. Активный усилитель тормозного привода с электронным
управлением:
1 — малогабаритный главный цилиндр тормозной системы; 2 — пружина
диафрагмы; 3 — подсоединение вакуумного трубопровода; 4 — опорные диски диафрагм; 5 — электромагнит; 6 — корпус клапанов; 7 — седло клапанов;
8 — тормозная педаль; 9 — выключатель САРД; 10 — якорь электромагнита;
11 — атмосферные полости; 12 — вакуумные полости; 13 — датчик положения
диафрагмы усилителя; 14 — штекерный разъем; 15 — подвод тормозной жидкости к рабочим цилиндрам
606
Глава 15. Системы безопасности
пропорционально силе проходящего через его обмотку 5 тока.
В качестве датчика положения используется бесступенчатый потенциометр. Изменяющееся давление тормозной жидкости в тормозной системе измеряется посредством датчика, установленного
на главном тормозном цилиндре.
Выключатель САРД 2 (рис. 15.24) служит для распознавания
состояния системы, а именно определения, производится торможение водителем или происходит в результате срабатывания электромагнита. Так как этот выключатель является элементом безопасности автомобиля, он оснащен двумя парами контактов, по
положению которых определяется исходное или рабочее состояние усилителя.
В исходном положении усилителя или при его работе под контролем САРД толкатель не передает усилий на упругий буфер
штока и не сжимает его (рис. 15.24, а). При этом переключатель
прижат к корпусу усилителя, а его контакты замыкают первый
контур. Если водитель нажимает педаль тормоза (рис. 15.24, б),
буфер штока сжимается под действием передаваемого на него через толкатель усилия, в результате чего переключатель отходит от
корпуса усилителя, а его контакты замыкают второй контур.
а
3
1
2
б
1
1
2
2
Рис. 15.24. Выключатель системы автоматического регулирования
дистанции:
а — исходное положение; б — нажатие на педаль тормоза; 1 — буфер штока;
2 — выключатель САРД; 3 — толкатель
15.4. Круиз-контроль и система автоматического регулирования дистанции
607
Принцип работы активного усилителя. По сигналам блока
управления САРД управляет усилителем тормозного привода посредством клапана, уплотняющая кромка которого взаимодействует
с кольцевой прокладкой его седла. От положения этого клапана
зависит давление в атмосферной полости усилителя. Уплотняющая кромка якоря электромагнита выполняет функции запорного
органа впускного клапана. Выпускной клапан образован уплотняющей кромкой корпуса клапанов. Оба клапана открываются
и закрываются в результате подъема уплотняющих кромок и посадки их на кольцевую прокладку.
Исходное положение (см. рис. 15.23) усилителя характеризуется наличием вакуума во всех его полостях и обесточенным пропорционально действующим электромагнитом.
Повышение давления в тормозной магистрали (рис. 15,25, а).
САРД вызывает повышение давления в тормозной магистрали,
подключая пропорционально действующий электромагнит к источнику тока. Магнитный поток перемещает якорь 8 электромагнита влево, уменьшая зазор между магнитопроводом 10 и якорем
электромагнита. Между якорем и седлом клапана образуется щель
(впускной клапан 2). Через открытый впускной клапан 2 наружный воздух поступает в атмосферную полость усилителя. В результате его диафрагма перемещается, сжимая возвратную пружину.
При этом тормозное усилие может достичь 30 % от его максимального значения.
Поддержание давления в тормозной магистрали (рис. 15.25, б).
Для поддержания давления в тормозной магистрали используется
сниженный ток обмотки электромагнита. Пружина 3 якоря отжимает его от магнитопровода 10 и закрывает впускной клапан 2.
Положение диафрагмы усилителя при этом зависит от величины
пониженного давления воздуха в рабочей полости.
Снижение давления в тормозной магистрали (рис. 15.25, в).
При обесточенной обмотке якорь 8 электромагнита упирается
уплотняющей кромкой в прокладку седла клапанов и отжимает ее
от уплотняющей кромки выпускного клапана. Между якорем и седлом клапана образуется щель (выпускной клапан 5). В результате
воздух из атмосферной полости перетекает в вакуумную полость
и отсасывается затем во впускную систему двигателя. Пружина
диафрагмы при этом разжимается.
608
а
Глава 15. Системы безопасности
1
б
2
3
8
10
9
в
4
5
7
6
Рис. 15.25. Принцип действия тормозного привода с электронным
управлением:
а — повышение давления в тормозной магистрали; б — поддержание давления в тормозной магистрали; в — снижение давления в тормозной магистрали; 1 — атмосферная камера; 2 — впускной клапан; 3 — пружина электромагнита; 4 — корпус клапанов; 5 — выпускной клапан; 6 — атмосферная полость;
7 — вакуумная полость; 8 — якорь электромагнита; 9 — опорный диск диафрагмы; 10 — магнитопровод
Принцип работы САРД. Движение с постоянной скоростью.
Если в зоне охвата датчика САРД транспортных средств нет, поддерживается заданная скорость автомобиля.
Замедление. Если автомобиль при движении по своей полосе
догоняет движущееся медленнее его транспортное средство, САРД
снижает скорость автомобиля за счет уменьшения крутящего момента двигателя и, при необходимости, путем осторожного притормаживания. При этом обеспечивается постоянство задаваемого
водителем времени, которое нужно для преодоления расстояния
до движущегося впереди транспортного средства. Таким же образом
15.4. Круиз-контроль и система автоматического регулирования дистанции
609
скорость автомобиля с САРД приводится в соответствие со скоростью медленнее движущегося транспортного средства, которое
оказалось перед автомобилем в результате перестройки из одной
полосы движения в другую.
Ускорение. Если движущееся впереди транспортное средство
увеличивает скорость или меняет полосу движения, автомобиль
с САРД вновь разгоняется до заданной первоначально скорости.
Движение с остановками. Если идущее впереди транспортное
средство замедляется до полной остановки, то автомобиль самостоятельно начнет торможение и остановится за ним. Если затем
движущийся впереди автомобиль в течение трех секунд снова тронется с места, то движущийся сзади автомобиль с системой САРД
также автоматически последует за ним. Если остановка длится более трех секунд, то, нажав кнопку на подрулевом переключателе,
водитель может активировать временной интервал в 15 с, в течение которого автомобиль будет автоматически следовать за трогающимся перед ним автомобилем.
Границы действия функций. САРД эффективно работает только при скоростях до 180 км/ч, так как дальность действия ее датчика ограничена 150 м. Если автомобиль с САРД находится в стадии пассивного торможения с относительно большой скорости,
при снижении ее до нижнего граничного значения на дисплей
комбинации приборов выводится требование приступить водителю к активному торможению. Система не реагирует на неподвижные транспортные средства, поэтому при сближении с ними водитель должен тормозить в обычном порядке.
САРД рассчитан для эксплуатации на автострадах и шоссе
с преимущественно прямолинейным движением.
При движении автомобиля в условиях мокрой погоды в тормозных системах, оборудованных активным усилителем тормозного привода с электронным управлением, происходит автоматическое удаление влаги с тормозных дисков. Это происходит на
скорости более 50 км/ч и работающих, в том числе в периодическом режиме, стеклоочистителях. В тормозной системе контура передних колес примерно на 8 с повышается давление до 0,8...1,2 бар,
чтобы колодки прижались к тормозным дискам. Выделившееся
в результате этого тепло приводит к испарению водяной пленки.
610
Глава 15. Системы безопасности
15.5. Активные системы безопасности
Ассистенты смены полосы движения подразделяются на радарный ассистент и ассистент, использующий видеокамеру.
Радарный ассистент смены полосы движения. Часто причиной аварий при перестроении в другой ряд является то, что водитель не замечает транспортные средства на соседних полосах.
Ассистент смены полосы движения (SWA) предназначен для
наблюдения за ситуацией в соседних рядах и позади автомобиля,
предупреждения водителя об опасности при обгоне и перестроении автомобиля. Обнаружив ситуацию, угрожающую аварией при
перестроении, ассистент смены полосы движения предупреждает
об этом водителя. Для оповещения водителя в соответствующем
наружном зеркале заднего вида, справа или слева, загорается сигнальная лампа. Если действия водителя создают угрозу аварии,
сигнальная лампа начинает интенсивно мигать, предупреждая водителя об опасности.
В состав ассистента смены полосы движения входят два блока
управления — задающий и подчиненный. Задающий блок объединен в один узел с правым радаром, а подчиненный — с левым радаром. (Слово «радар» является сокращением от английского RAdio
Detection And Ranging, что означает «обнаружение и определение
дистанции с помощью электромагнитных волн». Эта технология
используется для определения положения (расстояние и угол) неподвижных объектов или текущего положения, скорости и направления движения подвижных объектов путем излучения сверхвысокочастотных электромагнитных волн и оценки отраженного объектами излучения.)
Задающий и подчиненный блоки управления имеют одинаковую конструкцию на основе электронной платы с цифровым процессором сигнала, выполняющим роль центрального вычислительного устройства.
Для передачи информации система включает электронную
плату антенн с соединяющимися с ней передающими и приемными антеннами (рис. 15.26).
Антенны состоят из медных пластин (патчей). Отраженный
сигнал передающей антенны принимается приемными антеннами
15.5. Активные системы безопасности
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
611
Рис. 15.26. Электронная
плата антенн:
1 — приемные антенны;
2 — передающие антенны
1
2
и обрабатывается цифровым процессором сигнала, который оценивает его физические характеристики и рассчитывает по ним размер, местонахождение и скорость отражающего сигнал объекта.
Передающие антенны блоков управления излучают радиоволны, которые отражаются от встречающихся на их пути объектов.
Интенсивность отраженного излучения зависит от физических
свойств объекта. Отраженное излучение принимается приемными
антеннами и измеряется в блоках управления. На основе физических характеристик отраженного излучения блоки управления получают информацию об отражающих радиоволны объектах. К физическим характеристикам относятся временной интервал между
передачей и приемом радиолокационного сигнала, сдвиг частоты
у переданного и принятого сигналов и сдвиг фаз на приемных антеннах. Эти характеристики позволяют рассчитать текущее местонахождение, скорость и направление движения различных объектов.
Каждый из блоков управления в состоянии распознавать такие
неподвижные объекты, как, например, разделительное ограждение, застройка вдоль дороги или неподвижные автомобили. Однако такие объекты не интересуют систему. Слежение ведется только за теми объектами, которые система принимает за подвижные
транспортные средства.
Ассистент смены полосы движения оповещает и предупреждает водителя о потенциальной опасности при перестроении в другой ряд с помощью встроенных в наружные зеркала заднего вида
сигнальных ламп. При обнаружении помехи на одной из соседних
полос в зеркале соответствующей стороны загорается сигнальная
612
Глава 15. Системы безопасности
лампа. Если водитель не перестраивается в другой ряд, то сигнальная лампа горит непрерывным светом, сообщая этим о наличии
помехи. Когда водитель включает указатели поворота, т.е. хочет
перестроиться в занятый соседний ряд, сигнальная лампа предупреждает его об опасности четырехкратным миганием.
В качестве примера приводим две типичные дорожные ситуации, в которых ассистент смены полосы движения подает предупреждающий сигнал (рис. 15.27).
Ситуация 1. Оборудованный SWA автомобиль V1 движется по
средней полосе трехполосной магистрали и опережает движущееся
справа транспортное средство V2. Скорость автомобиля с SWA превышает скорость обгоняемого автомобиля меньше чем на 15 км/ч.
Обгон с такой скоростью требует времени, так что обгоняемый автомобиль в какой-то момент попадает в мертвую зону. В этой ситуации сигнальная лампа в правом наружном зеркале сообщает
водителю, что правая полоса движения занята. Если водитель автомобиля с SWA включает правый указатель поворота, то четырех-
а
V1
V3
б
V2
V4
Рис. 15.27. Типичные дорожные ситуации применения
ассистента смены полосы движения:
SWA — автомобиль, оборудованный ассистентом; .
а — ситуация 1; б — ситуация 2
15.5. Активные системы безопасности
613
кратное мигание сигнальной лампы в правом зеркале предупреждает его об опасности.
Ситуация 2. Автомобиль V3 с SWA движется со средней скоростью по правой полосе трехполосной магистрали. По средней
полосе его быстро нагоняет другое транспортное средство V4. Ассистент смены полосы движения обнаруживает приближающийся
автомобиль и зажигает сигнальную лампу в левом наружном зеркале. Если водитель включает левые указатели поворота, то сигнальная лампа начинает мигать и этим предупреждает водителя об
опасности столкновения. Максимальное расстояние между двумя
автомобилями, при котором включаются сигнальные лампы, зависит от разности скоростей движения. Чем выше разность скоростей, тем это расстояние больше. Но в любом случае оно не превышает 50 м, потому что 50 м — это предел обнаружения помехи
радарами.
Ассистент смены полосы движения, использующий видеокамеру. Такие ассистенты могут быть более простыми, использующими
предупреждение водителя о смене полосы движения вибрацией
рулевого колеса, и ассистенты с дополнительным автоматическим
подруливанием рулевого колеса.
Ассистент с использованием вибраций рулевого колеса. Слежение за разметкой, задающей границы полосы, осуществляется
с помощью видеокамеры. Окно камеры расположено в области ветрового стекла, которая очищается щетками стеклоочистителей,
что позволяет свести к минимуму ограничение видимости, вызываемое осадками в виде дождя и снега.
Если ассистент распознает линии разметки полосы движения
по обеим ее сторонам, система находится в рабочем состоянии (активирована), о чем свидетельствует зеленая лампа подсветки.
Если автомобиль приближается
к одной из линий разметки и может
выйти за пределы полосы, водитель
предупреждается об этом посредст
вом вибрации рулевого колеса.
Для создания вибрации рулевое
колесо оснащено вибромотором,
встроенным в правую нижнюю спиРис. 15.28. Вибромотор
цу рулевого колеса (рис. 15.28).
ассистента движения по полосе
614
Глава 15. Системы безопасности
Вибрация рулевого колеса происходит от вращения закрепленного на его оси эксцентрика, приводимого электродвигателем. Продолжительность вибрирующего сигнала зависит от реакции водителя и составляет, как правило, около одной секунды.
Если при активированном ассистенте перед перестроением на
другую полосу будет включен сигнал поворота, предупредительного сигнала не последует, поскольку данное перестроение система
воспринимает как запланированное. Предупреждение посредством
вибрирующего сигнала при приближении к отслеживаемой линии
разметки или при ее пересечении производится только один раз.
Второй предупредительный сигнал следует лишь в том случае, если
после первого сигнала автомобиль удаляется на достаточное расстояние от отслеживаемой линии разметки и после этого снова
приближается к ней.
Ассистент с использованием вибраций рулевого колеса и автоматическим подруливанием рулевого колеса. С внедрением
электромеханического усилителя рулевого управления и электронной педали акселератора открылись новые возможности для
непосредственного и активного влияния на ходовые качества и повышение безопасности движения, а также для обеспечения активной помощи водителю в ходе выполнения им сложных маневров.
В автомобильную технику пришли функции, которые до этого были
прерогативой либо живых существ, либо амбициозных проектов
робототехники: оптическое восприятие ситуации (зрение), оценка
ситуации (мышление) и реакция на ситуацию (действие).
В связи с этим дальнейшим развитием ассистента движения по
полосе является возможность электронной системы автомобиля
вмешиваться в рулевое управление в критических ситуациях. На
основании оптических данных электронная система определяет
траекторию дороги и активно вмешивается в рулевое управление,
если существует опасность непреднамеренного выхода автомобиля
за пределы полосы движения, ограниченной внутренней и внешней полосами дорожной разметки.
Ассистент движения по полосе при наличии электромеханического усилителя рулевого управления и электронной педали акселератора может выполнять следующие функции:
распознавание траектории полосы движения при наличии
линий дорожной разметки или достаточного контраста между дорожным покрытием и обочиной;
15.5. Активные системы безопасности
615
представление водителю визуальной информации о режиме
работы ассистента движения по полосе;
корректирующее или вспомогательное вмешательство в работу рулевого управления;
предупреждение водителя путем ощутимой вибрации, если
вмешательства ассистента движения по полосе недостаточно, чтобы компенсировать уход с полосы движения;
подача визуальных и звуковых сигналов, если водитель на
определенное время отпустил рулевое колесо (распознавание отпущенного рулевого колеса);
подавление функций системы при преднамеренной смене
полосы движения, например при маневре обгона.
После включения ассистента движения по полосе система с помощью установленной в блок управления ассистента движения по
полосе камеры начинает распознавать и оценивать обстановку на
дороге перед автомобилем. При этом блок управления ассистента
движения по полосе пытается на основании входных оптических
данных определить границы полосы движения, осевую линию разметки и положение собственного автомобиля на полосе движения.
Если системе удается в рамках системных границ получить эти
данные, то ассистент движения по полосе остается в активном режиме. В противном случае ассистент движения по полосе переходит в пассивный режим. Индикация текущего режима работы
системы осуществляется с помощью контрольной лампы ассистента
движения по полосе (активный режим — зеленый цвет, пассивный
режим — желтый цвет).
В активном режиме работы система определяет траекторию
дороги и при опасности выхода автомобиля за пределы полосы
движения создает корректирующий крутящий момент поворота
рулевого колеса с помощью привода электромеханического усилителя рулевого управления. В пассивном режиме работы камера
продолжает слежение за дорогой, а система анализирует поступающие данные, чтобы при распознавании однозначно идентифицируемой дорожной разметки или при наличии всех необходимых
рамочных условий снова переключиться в активный режим работы. Контрольная лампа сообщает водителю о том, что ассистент
движения по полосе находится в пассивном режиме и корректирующее воздействие на рулевое управление и подача предупре-
616
Глава 15. Системы безопасности
дительных сигналов не производятся. При преднамеренной смене
полосы движения, например при обгоне или повороте, включение
указателей поворота временно переводит ассистент движения по
полосе в пассивный режим работы. Он автоматически включается
при выключении указателей поворота и при повторном распознавании однозначно идентифицируемой дорожной разметки.
На прямом участке дороги на основании распознанной дорожной
разметки ассистент движения по полосе рассчитывает виртуальную полосу движения, по которой разрешено движение автомобиля
(рис. 15.29, а). Дополнительно система определяет положение самого автомобиля относительно траектории этой виртуальной полосы. При возникновении опасности выхода автомобиля за пределы
виртуальной полосы движения система ассистента движения по
полосе рассчитывает корректирующий подруливающий момент,
противодействующий отклонению автомобиля от полосы и равный максимум 3 Нм, и реализует его через электромеханический
усилитель рулевого управления (рис. 15.29, б).
Сила корректирующего воздействия зависит от угла, под которым автомобиль приближается к распознанной границе полосы
движения. Корректирующее подруливание действует максимум
в течение 100 с или прекращается, если автомобиль в пределах
этого временного отрезка возвращается на траекторию полосы движения. Водитель может в любое время без особых усилий преодолеть корректирующее воздействие активным рулением, например
а
1
2
Рис. 15.29. Схема движения автомобиля на прямом участке дороги:
б
а — опасности нет; б — опасность есть;
1 — боковое совмещение продольной
оси автомобиля и границы виртуальной полосы движения; 2 — виртуальная полоса движения
15.5. Активные системы безопасности
617
при преднамеренной смене полосы движения без включения указателей поворота. Если момента корректирующего подруливания
недостаточно, чтобы удержать автомобиль в пределах полосы движения, то электродвигатель электромеханического усилителя рулевого колеса возбуждает вибрацию рулевого механизма, ощущаемую водителем в качестве предупредительного сигнала.
При движении автомобиля в повороте, даже при затяжных поворотах, т.е. при большом радиусе поворота, ассистент движения
по полосе способен предотвращать отклонение автомобиля от расчетной полосы движения. При этом виртуальная полоса движения
рассчитывается ассистентом движения по полосе так, чтобы внутренняя граница виртуальной полосы совпадала с распознанной
реальной дорожной разметкой полосы движения с внутренней
стороны поворота. Если максимального времени корректирующего вмешательства в 100 с недостаточно для удержания автомобиля
в пределах полосы движения на повороте, то включается сигнализация с помощью вибрации, раздается предупредительный звуковой
сигнал, а также появляется текстовое сообщение на дисплее комбинации приборов, призывающие водителя взять рулевое управление на себя.
Наряду с контролем за движением автомобиля в пределах полосы ассистент движения по полосе также следит за тем, не отпустил ли водитель рулевое колесо на определенный период времени и тем самым оказался не готов к рулению, например вследствие
усталости или из-за отвлекающих действий.
Неровности дорожного покрытия при движении автомобиля
создают усилия, воспринимаемые рулевым механизмом. Если водитель удерживает рулевое колесо как минимум одной рукой, указанные выше силы приводят к тому, что через шестерню рулевой
колонки на нижний конец торсиона воздействуют постоянно меняющиеся моменты, пытающиеся повернуть рулевую колонку на
небольшую величину. Поскольку водитель удерживает рулевое колесо, то верхний конец торсиона остается неподвижным. При этом
торсион постоянно скручивается влево и вправо на небольшой
угол. Эти непрерывные изменения угла скручивания торсиона измеряются с помощью датчика момента поворота рулевого колеса
и в результате обработки сигнала в блоке управления усилителя
рулевого управления возникает непрерывная последовательность
618
Глава 15. Системы безопасности
сигналов, которая не прекращается, пока водитель удерживает рулевое колесо и не производит намеренного руления. Наличие серии
таких сигналов сообщает ассистенту движения по полосе о том,
что водитель удерживает рулевое колесо.
Если водитель отпускает рулевое колесо, то верхний конец
торсиона перестает быть неподвижным. Весь рулевой механизм,
включая рулевое колесо, может свободно вращаться. Теперь в отличие от положения удержания водителем рулевого колеса крутящие моменты, возникающие из-за неровностей дорожного покрытия, не приводят к переменному скручиванию торсиона, так что
датчик крутящего момента не регистрирует никаких изменений
угла скручивания. Последовательность сигналов отсутствует. Если
ассистент движения по полосе обнаруживает, что это состояние
длится более 8 с, то включается предупредительный сигнал, указывающий водителю на опасность, которая может возникнуть
в результате отпускания рулевого колеса.
Ассистент движения по полосе предназначен для использования при движении по магистралям и шоссе. Поэтому он работает
при скорости свыше 65 км/ч. В неблагоприятных условиях, например при загрязненном или заснеженном дорожном полотне,
при слишком узкой полосе движения или при неоднозначной разметке полос, как это имеет место на ремонтных участках магистралей, ассистент временно деактивируется.
15.6. Системы парковки
Системы парковки подразделяются на предупреждающие системы (звуковую, систему с одной видеокамерой заднего вида и систему с несколькими видеокамерами), а также систему автоматической парковки.
Предупреждающие системы. Звуковая система позволяет водителю по звуковым сигналам оценить расстояние до ближайшего
препятствия. Она состоит из нескольких датчиков (передающих
и принимающих) в переднем и заднем бампере автомобиля, ос
новного блока управления, блока управления дисплея, зуммеров,
дисплея.
619
15.6. Системы парковки
Датчик выполнен из алюминиевого корпуса с селективной степенью затухания пьезоэлектрической пластины в качестве генератора сигналов и снабжен электронной схемой для генерирования
ультразвуковых волн и оценки отраженных и принимаемых волн.
Ультразвуковые датчики представляют собой небольшие приемопередающие модули (рис. 15.30). Принцип работы датчиков базируется на излучении ультразвукового сигнала, не воспринимаемого человеком. Этот сигнал распространяется в виде звуковых
волн в окружающей среде с постоянной скоростью. Звуковые волны
представляют собой происходящие концентрические волнообразные изменения плотности и давления частиц окружающего воздуха.
Скорость распространения звука зависит от плотности среды, в которой он движется. При нормальном давлении (1 бар) и температуре 20 °C звук распространяется в воздухе со скоростью 343 м/с.
Зависимость скорости распространения звука от температуры является основанием для использования системой управления сигнала от датчика наружной температуры в качестве корректирующей величины. Звуковые волны, попадая на предмет (например,
на стену), отражаются от него в степени, зависящей от характеристик предмета. Это означает, что звуковые волны возвращаются
к датчику и принимаются его микрофоном. При этом датчик измеряет время, прошедшее между отправкой сигнала и приемом отраженных волн. На основании измерения этого времени блок управления может определить расстояние от автомобиля до предмета.
Передаваемые уровни соответствуют напряжению логической
схемы и, следовательно, нечувствительны к возмущению, поэтому
отсутствует необходимость в экранировании сигнальных линий.
Датчики включаются циклически каждые 25 мс и генерируют
ультразвуковой импульс продолжительностью примерно 1 мс.
Все датчики затем переключаются на режим «прослушивания»,
1
Рис. 15.30. Принципиальная схема
работы ультразвукового датчика:
2
3
4
1 — ультразвуковой датчик; 2 —
устройство для измерения времени;
3 — объект измерения; 4 — звуковые
волны
620
Глава 15. Системы безопасности
для того чтобы воспринимать отраженные волны. Расстояние до
препятствия, от которого отражаются волны, вычисляется посредством оценки длительности прохождения сигнала (длительности
прохождения волн от передатчика до принимающего датчика).
Наикратчайшее расстояние от препятствия до бампера показывается водителю на дисплее.
При движении вперед со скоростью ниже 15 км/ч работают
только датчики, расположенные на переднем бампере. Во время
переключения на передачу заднего хода приводятся в действие
датчики на заднем бампере.
Блок управления системой служит для подачи напряжения
питания к датчикам, оценки и обработки сигналов датчиков, управления предупреждающими зуммерами, передачи блоку управления
передней панели управления, индикации и выдачи информации,
необходимой для вывода изображения на дисплей.
Звуковой сигнал подается предупреждающими зуммерами. Расстояние, на котором датчики парковочной системы однозначно
различают препятствия, зависит от места их установки:
боковой задний датчик: примерно 60 см;
боковой передний датчик: примерно 90 см;
средний задний датчик: примерно 120 см;
средний передний датчик: примерно 160 см.
Прерывистый сигнал становится непрерывным, когда расстояние до препятствия сокращается до следующих значений:
спереди: примерно 25 см;
сзади без тягово-сцепного устройства: примерно 30 см;
сзади с тягово-сцепным устройством: примерно 35 см.
Звуковая система парковки включается автоматически.
При наличии дисплея в дополнение к звуковому предупреждению на нем отображается фактическое расстояние от отдельных
датчиков до имеющихся препятствий. Контролируемая зона разбита на секторы по числу датчиков (рис. 15.31). В каждом из секторов имеется красная метка, которая отмечает расстояние между
датчиком и ближайшим к нему препятствием. Когда расстояние
между автомобилем и препятствием сокращается, соответствующая красная метка на экране приближается к автомобилю.
Система обзора окружающего пространства с одной камерой
заднего вида. Камера заднего вида является дополнением к звуковой
621
15.6. Системы парковки
Сегмент
Сектор
Рис. 15.31. Изображение на дисплее парковочного ассистента
системе парковки и позволяет контролировать ситуацию позади
автомобиля, передавая изображение на дисплей. Камера встраивается в ручку двери багажного отсека и позволяет водителю видеть
то, что происходит сзади. Изображение с камеры появляется на
дисплее автоматически при включении передачи заднего хода.
Парковочный ассистент и камера заднего вида лишь помогают
водителю в обзоре пространства вокруг автомобиля и оценке расстояния до препятствий, поэтому впоследствии стали применять
более совершенные системы парковки.
Система обзора окружающего пространства с несколькими камерами Area View. Это вспомогательная система для водителя,
представляет собой реализованную с помощью камер систему обзора окружающего пространства и является дальнейшим развитием камеры заднего вида. В то время как камера заднего вида отображает только область позади автомобиля, система Area View
позволяет водителю контролировать все пространство вокруг автомобиля.
Она дает водителю множество вариантов отображения и настроек, которые он может целенаправленно выбирать в зависимости от дорожной обстановки и необходимости в информации.
Воспроизведение кругового обзора окружающей обстановки
вокруг автомобиля реализуется с помощью четырех камер, которые скрыто установлены на автомобиле (рис. 15.32).
Передняя камера находится в решетке радиатора, задняя —
в ручке двери багажного отсека, а боковые камеры размещены
в нижней части наружных зеркал заднего вида.
622
Глава 15. Системы безопасности
Поле зрения
видеокамеры правого
зеркала заднего вида
Поле зрения
задней
видеокамеры
Поле зрения
передней
видеокамеры
Поле зрения видеокамеры
левого зеркала заднего вида
Рис. 15.32. Зона контроля окружающего пространства с помощью
четырех видеокамер
Широкоугольные камеры фиксируют все пространство вокруг
автомобиля, просматривая «мертвые зоны».
Камеры подключены к блоку управления камер наружного наблюдения по высокоскоростным линиям передачи данных. По этим
линиям обеспечивается питание камер и управление ими, а также
передача видеосигнала в цифровом формате с помощью LVDS
(передача дифференциальными сигналами малых напряжений).
При включении передачи заднего хода или нажатии клавиши
системы парковки на дисплее радионавигационной системы с сенсорным экраном появляется соответствующее миниатюрное изображение автомобиля «с перспективы птичьего полета» и при желании водителя детальное отображение для правой, левой, передней
или задней стороны соответствующей зоны.
В зависимости от выбранного режима (вида) отображения показываются статические и динамические вспомогательные линии,
позволяющие более точно определить дистанцию (прямоугольные
линии красного или зеленого цвета) и отобразить возможную траекторию движения в зависимости от угла поворота рулевого колеса (изогнутые линии желтого цвета) (рис. 15.33).
Отображение «с перспективы птичьего полета» (рис. 15.34, а)
получается из четырех отдельных изображений, передаваемых
камерами. Блок управления рассчитывает общий вид окружающего автомобиль пространства. При таком режиме дополнительно показан силуэт автомобиля при виде сверху.
623
15.6. Системы парковки
2 м 1 м 0,4 м
2 м 1 м 0,4 м
Рис. 15.33. Отображение на дисплее дистанции и возможной
траектории движения
Отображение в режиме «помехи в поперечном направлении»
(рис. 15.34, б) позволяет водителю получить обзор более чем на
90° влево и вправо с самой передней точки автомобиля, образно
говоря, заглянуть за угол и оценить дорожную обстановку.
Отображение «помощь при подсоединении прицепа»
(рис. 15.34, в) облегчает водителю процесс подсоединения прицепа.
Для реализации функции используется задняя камера. Водитель
а
б
в
г
Рис. 15.34. Отображения на дисплее:
а — «с перспективы птичьего полета»; б — «помехи в поперечном направлении»; в — «помощь при подсоединении прицепа»; г — «пересеченная местность»
624
Глава 15. Системы безопасности
получает изображение пространства позади автомобиля при виде
сверху.
Отображение «пересеченная местность» (рис. 15.34, г) оказывает водителю помощь при движении по пересеченной местности
и при наличии трудноопределяемых препятствий, отображая их
непосредственно перед автомобилем с перспективы птичьего полета.
Система автоматической парковки (парковочный автопилот).
Такая система осуществляет не только осмотр пространства вокруг
автомобиля, но и самостоятельно поворачивает рулевое колесо
с электроусилителем рулевого управления при парковке автомобиля задним ходом. Водитель при этом управляет во время парковки педалями акселератора, сцепления или тормоза. При необходимости в любой момент водитель может взять на себя контроль
рулевого управления и прервать процесс автоматической парковки.
Наряду с парковкой автомобиля задним ходом к правой стороне
дороги в системе предусмотрена возможность парковки и к левой
стороне дороги, например для улиц с односторонним движением.
Парковочный автопилот является примером взаимодействия
различных систем автомобиля с использованием коммуникаций
по шине CAN для выполнения комплексной функции, например
активного руления при парковке. Наряду с парковочным автопилотом задействованы следующие подсистемы: электромеханический усилитель рулевого управления; тормозная система с ABS
и ESP; управление двигателя и коробки передач; электронные составляющие приборной панели и рулевой колонки; система распознавания прицепа.
Процесс парковки задним ходом с использованием парковочного автопилота можно разделить на четыре этапа:
1) активирование парковочного автопилота;
2) поиск подходящего свободного места на стоянке;
3) парковка с использованием функции руления;
4) завершение процесса парковки.
Активирование парковочного автопилота. Парковочный автопилот имеет отдельные функции парковочного ассистента и самостоятельного поворота рулевого колеса при парковке. Включение
и выключение этих функций осуществляется двумя разными кнопками. Сначала водитель должен решить, будет он самостоятельно
625
15.6. Системы парковки
парковать автомобиль, пользуясь при этом системой контроля дистанции при парковке, или это выполнит парковочный автопилот
задним ходом, предоставив водителю управление только педалями
акселератора, сцепления и тормоза. Водитель должен выбрать, будет он парковаться задним ходом к правой стороне дороги или же
парковка будет произведена к левой стороне дороги (например,
при движении по улице с односторонним движением). Возможно
также самостоятельно припарковать автомобиль, а парковочный
автопилот использовать лишь для поиска подходящего свободного
места на парковке.
Поиск подходящего свободного места на стоянке. Измерение размеров подходящего свободного места на парковке осуществляется при помощи ультразвуковых датчиков, расположенных по
обеим сторонам автомобиля. Для проведения измерения свободного места на парковке скорость автомобиля не должна превышать 30 км/ч. На скорости от 30 до 45 км/ч датчики парковочного
автопилота отключаются. В этом случае система считает, что процесс поиска прерван и будет продолжен в другом месте. При скорости движения выше 45 км/ч парковочный автопилот отключается
полностью, при необходимости его следует активировать заново.
При скорости движения ниже 30 км/ч и расстоянии до припаркованных автомобилей от 0,5 до 1,5 м парковочный автопилот начинает поиск подходящего места для парковки на правой стороне
дороги (рис. 15.35, а).
Если в процессе поиска свободного места на парковке система регистрирует, что угол между осью автомобиля и бордюром
или линией припаркованных автомобилей становится больше 20°
(рис. 15.35, б), то парковочный автопилот воспринимает это не как
а
30 км/ч
б
20
0,5 м а 1,5 м
Рис. 15.35. Процесс поиска подходящего свободного места на стоянке:
а — поиск места для парковки; б — прерывание процесса поиска
626
Глава 15. Системы безопасности
парковку, а как другой маневр, например разворот, и прерывает
процесс поиска.
Для определения величины угла прохождения парковочный
автопилот может исследовать и сравнивать с осью автомобиля
разные препятствия: линию, образованную припаркованными автомобилями; бордюр; стены домов или заборы. Для анализа используется лишь ближайшее к автомобилю препятствие. До тех
пор пока не найдено подходящее свободное место на парковке,
край дороги на экране дисплея автомобиля отображается в виде
непрерывной последовательности заштрихованных прямоугольников (рис. 15.36, а).
Если свободное место подходит для парковки автомобиля, то
оно отображается в виде свободного пространства между заштрихованными прямоугольниками (рис. 15.36, б). Одновременно система проверяет, находится ли автомобиль в правильном положении по отношению к свободному месту на парковке. При этом
проверяется, достаточное ли расстояние автомобиль проехал вперед для того, чтобы въехать в свободное место, и параллельна ли
ось автомобиля свободному месту на парковке или краю дороги.
Если достигнуто правильное положение, то появляется стрелка (рис. 15.36, в), показывающая, что парковочный автопилот готов к выполнению функции руления. Это произойдет только в том
случае, если автомобиль не движется. Буква R на изображении
автомобиля указывает, что водитель должен самостоятельно включить передачу заднего хода.
Минимальный размер места для парковки определяется на основании длины автомобиля и необходимого для маневрирования
расстояния с учетом безопасного расстояния. Общая длина выбирается таким образом, чтобы автомобиль мог припарковаться
а
б
в
Рис. 15.36. Отображение
свободного места при парковке:
а — свободного места не найдено; б —
свободное место имеется; в — начало
парковки
15.6. Системы парковки
627
в один прием. Это означает, что парковочный автопилот должен
расположить автомобиль так, чтобы водителю осталось лишь немного подать его вперед для выравнивания после процедуры парковки.
Парковка с использованием функции руления. Водитель запускает процесс автоматической парковки следующим образом: на
стоящем автомобиле он включает передачу заднего хода, нажимает на педаль акселератора и отпускает педаль тормоза. При этом
водитель не должен поворачивать рулевое колесо. Соответствующая индикация на дисплее комбинации приборов указывает лишь
на то, что включен режим автоматического руления, и водитель
должен следить за обстановкой вокруг автомобиля, чтобы в случае
опасности прервать процесс парковки или завершить его вручную.
Процесс парковки автомобиля задним ходом поделен блоком
управления парковочного автопилота на пять этапов. Это необходимо потому, что система не имеет возможности непосредственного
визуального контроля для реагирования на индивидуальное развитие процесса. Проще говоря, в «памяти» сохранен стандартизированный процесс парковки, который при необходимости воспроизводится в пять этапов. Таким образом, парковочный автопилот
поэтапно следует заранее заданной траектории.
Сначала колеса приводятся в положение прямолинейного движения, и автомобиль немного проезжает назад, как только водитель нажимает на педаль акселератора и отпускает педаль тормоза
(рис. 15.37).
Затем от блока управления парковочного автопилота 2 на блок
управления усилителя рулевого управления 4 поступает сигнал
о том, что колеса необходимо повернуть вправо. При этом автомобиль задним ходом въезжает в свободное место на парковке под
углом к линии припаркованных автомобилей (рис. 15.38). Водитель должен следить за тем, чтобы скорость движения не превышала 7 км/ч. В противном случае система автоматически прерывает процесс парковки.
Используя данные о дистанции от ультразвуковых датчиков
и сигналы, поступающие от датчика угла поворота рулевого колеса 1, парковочный автопилот контролирует положение автомобиля в свободном пространстве между припаркованными автомобилями и, руководствуясь записанными в память блока управления
628
Глава 15. Системы безопасности
а
б
2
1
3
4
5
Рис. 15.37. Этап парковки 1:
а — процесс регулирования; б — процесс парковки; 1 — датчик угла поворота
колеса; 2 — блок управления парковочного автопилота; 3 — датчик момента
поворота рулевого колеса; 4 — блок управления усилителя рулевого управления; 5 — электродвигатель электромеханического усилителя рулевого управления
а
б
2
4
Рис. 15.38. Этап парковки 2:
а — процесс регулирования; б — процесс парковки
(позиции соответствуют позициям рис. 15.37)
сегментами движения, определяет, с какого момента колеса необходимо вновь привести в положение прямолинейного движения,
чтобы продолжить въезд на место для парковки (рис. 15.39).
По окончании третьего этапа движения колеса поворачиваются
влево (рис. 15.40) для того, чтобы автомобиль мог въехать на парковочное место. Автомобиль заезжает в свободное пространство
и встает параллельно к проезжей части. При уменьшении расстояния до объекта за автомобилем до минимального безопасного зна-
629
15.6. Системы парковки
а
б
1
Рис. 15.39. Этап парковки 3:
а — процесс регулирования; б — процесс парковки
(позиции соответствуют позициям рис. 15.37)
а
б
Рис. 15.40. Этап парковки 4:
а — процесс регулирования; б — процесс парковки
чения раздается звуковой сигнал, как и при работе парковочного
ассистента.
Завершение процесса парковки. Если автомобиль припаркован не параллельно бордюру или стене, то парковочный автопилот
распознает эту ситуацию. Теперь, когда автомобиль стоит, водитель должен выключить передачу заднего хода, подождать до тех
пор, пока колеса установятся в положение прямо, и включить первую передачу. Затем автомобиль должен проехать немного вперед
до тех пор, пока индикатор на дисплее не укажет на завершение
процесса парковки. Если парковочный автопилот считает, что
процесс парковки завершен, то сообщение на дисплее «Функция
630
а
Глава 15. Системы безопасности
б
Рис. 15.41. Этап парковки 5:
а — процесс регулирования; б — процесс парковки
руления активна! Следить за обстановкой!» меняется на «Автоматическая парковка завершена!». При этом отключается режим автоматического руления и в кнопке парковочного автопилота гаснет контрольная лампа (рис. 15.41).
15.7. Системы пассивной безопасности
Для обеспечения безопасности как пассажиров, так и остальных участников дорожного движения, автомобиль должен быть оборудован целым рядом систем. Важнейшими компонентами системы
пассивной безопасности (SRS — Supplementary Restrait System)
современных автомобилей (рис. 15.42) являются:
травмобезопасная рулевая колонка;
травмобезопасный узел педалей;
система ремней безопасности с натяжителями, включая систему безопасности детей (ISOFIX);
активные подголовники;
система подушек безопасности (передние, боковые, коленные и головные (занавески);
устойчивый к деформации кузов с крышей соответствующей прочности и зонами деформации в передней, задней и боковой частях автомобиля (они защищают пассажиров путем целенаправленного поглощения энергии столкновения);
система защиты при опрокидывании на кабриолете;
аварийный выключатель АКБ;
631
15.7. Системы пассивной безопасности
7
6
5
8
4
3
9
2
1
19
10
11
18
12
17
13
16
15
14
Рис. 15.42. Компоненты система пассивной безопасности:
1 — аварийный выключатель АКБ; 2 — безопасный самооткрывающийся при
столкновении капот; 3 — подушка безопасности переднего пассажира; 4 — боковая подушка безопасности переднего пассажира; 5 — боковая подушка безопасности переднего пассажира; 6 — активные подголовники; 7 — задняя правая
подушка безопасности; 8 — левая головная подушка безопасности; 9 — левая
задняя подушка безопасности; 10 — датчик удара задней подушки безопасности со стороны водителя; 11 — натяжитель ремня безопасности; 12 — боковая подушка безопасности водителя; 13 — датчик удара боковой подушки
безопасности водителя; 14 — подушка безопасности водителя; 15 — коленная
подушка безопасности; 16 — блок управления подушек безопасности; 17 —
датчик удара фронтальной подушки безопасности водителя; 18 — датчик срабатывания пиропатрона капота; 19 — датчик удара фронтальной подушки
безопасности переднего пассажира
изготовление травмобезопасных конструкций кузовов и применение при их изготовлении мягких материалов, например алюминия.
Травмобезопасная рулевая колонка. При фронтальном наезде
поперечная панель может смещаться, например для автомобиля New
Beetle 150 мм, прежде чем она упрется в рулевую колонку. В связи
632
Глава 15. Системы безопасности
2
50 мм
1
150 мм
5
50 мм
38 мм
3
Рис. 15.43. Травмобезопасная
рулевая колонка автомобиля
New Beetle:
1 — поперечная панель; 2 — рулевое колесо; 3 — рулевая колонка;
4 — карданные шарниры; 5 — рулевой вал
4
с этим в автомобилях применяется специальная травмобезопасная
колонка 3 (рис. 15.43). При сильных ударах длина рулевой колонки сокращается в трех местах, предотвращая перемещение рулевого колеса в глубь салона.
Если поперечная панель 1 упирается в рулевую колонку, длина по- а
1
следней может сократиться на 50 мм.
При направлении удара снизу, длина
рулевого вала 5 между шарнирами 4
может сократиться на 38 мм. В случае налегания водителя на надутую
подушку безопасности рулевая колонка сдвигается на 50 мм.
2
б
Травмобезопасный узел педалей.
В легковых автомобилях для обеспе3
чения травм от перемещения узла
педалей может применяться коленчатая стойка 3 (рис. 15.44).
При тяжелых фронтальных наездах с сильными деформациями структуры кузова педаль тормоза откло4
няется из зоны ног под действием
коленчатой стойки 3 (рис. 15.44, б).
Этот эффект достигается в результа- Рис. 15.44. Травмобезопасный
узел педалей:
те деформации передней панели саа — состояние узла при обычлона 1, причем он не зависит от наных условиях движения; б —
чального положения педали. При состояние узла при тяжелых
фронтальном наезде узел педалей
фронтальных наездах
15.7. Системы пассивной безопасности
633
смещается в направлении центральной трубы 2 остова кузова.
В результате коленчатая стойка складывается и при дальнейшем
перемещении перегибает толкатель 4 главного тормозного цилиндра. При этом опорная поверхность педали отводится в сторону на
расстояние до 170 мм. Изгиб толкателя, происходящий с затратой
энергии на деформацию деталей, используется для амортизации
углового перемещения упирающейся в педаль ноги водителя. В результате существенно снижаются усилия, действующие на ногу.
Ремни безопасности с натяжителями. При скорости, например, 56 км/ч с момента столкновения с неподвижным препятствием до полной остановки автомобиля проходит около 150 мс. Водитель и пассажир автомобиля не успевают принять какие-либо
решения за такой короткий промежуток времени. Они являются
пассивными участниками аварийной ситуации. За это мгновение
должны активироваться натяжители ремней безопасности, подушки безопасности, аварийный выключатель АКБ.
В условиях столкновения ремни безопасности должны демпфировать уровень энергии, который приблизительно равен кинетической энергии человека, падающего с высоты четвертого этажа
многоэтажного здания.
Ввиду возможного ослабления ремня безопасности применяется натяжное устройство (натяжитель), которое компенсирует это
ослабление.
Натяжитель ремня безопасности сматывает ремень безопасности
при столкновении в обратном направлении. Это помогает уменьшить свободу прилегания ремня безопасности (зазор между ремнем
безопасности и телом). Таким образом, с помощью ремня безопасности заранее предотвращается перемещение пассажира вперед
(относительно движения автомобиля).
На автомобилях применяются как натяжители диагональной
ветви ремня безопасности, так и натяжители пряжечного типа.
Применение обоих типов позволяет оптимально зафиксировать
пассажира. Система оттягивает назад пряжку, таким образом одновременно натягивая диагональную и поясную ветви ремня безопасности. На практике в основном устанавливаются натяжители
первого типа.
Натяжное устройство ремня безопасности улучшает степень
натяжения и повышает защиту против выскальзывания из-под
634
Глава 15. Системы безопасности
ремня, что достигается за счет немедленного срабатывания натяжного устрой1
ства ремня безопасности во время первоначального удара. Максимальное перемещение водителя или пассажира в переднем направлении должно равняться
приблизительно 1 см, а продолжительность процесса механического натяже3
2
ния составлять 5 мс (максимальное значение — 12 мс).
Кроме механических натяжных ус
тройств, в настоящее время многие производители оборудуют автомобили пиротехническими натяжителями (рис. 15.45).
Пиротехнические натяжители сра- Рис. 15.45. Пиротехничебатывают, когда встроенный в систему
ский натяжитель:
датчик регистрирует превышение ранее
1 — ремень безопасности;
заданного порога замедления, свидетель2 — пиротехнический патрон; 3 — поршень
ствующее о начале столкновения. При
этом включается детонатор пиротехнического патрона. При взрыве патрона выделяется газ, давление
которого действует на поршень, соединенный с ремнем безопасности. Поршень быстро перемещается и натягивает ремень. Обычно время срабатывания устройства составляет не более 25 мс после начала удара.
Чтобы избежать превышения нагрузки на грудь, такие ремни
имеют ограничители усилия натяжения, которые работают следующим образом: вначале достигается максимум разрешенной нагрузки, после чего механическое устройство позволяет пассажиру
продвинуться вперед на некоторое расстояние при поддержании
нагрузки на постоянном уровне.
В зависимости от конструкции и принципа действия различают
следующие типы натяжителей ремней безопасности:
тросовый натяжитель ремня безопасности с механическим
приводом;
шариковый натяжитель;
роторный натяжитель;
реечный натяжитель;
ленточный натяжитель.
635
15.7. Системы пассивной безопасности
Тросовый натяжитель ремня безопасности. Натяжитель ремня
безопасности 4 и автоматический механизм смотки ремня безопасности 9 являются одним узлом (рис. 15.46). Система подвижно закреплена в защитной трубке 1 на колпачке подшипника аналогично вертикальному маятнику. На поршне 3 закреплен стальной
трос 11. Трос смотан и установлен над защитной трубкой в барабан 8 для троса.
Модуль натяжителя состоит из следующих элементов:
датчики в виде системы пружина — масса;
газогенератор с пиротехническим выталкивающим зарядом 16;
поршень 3 со стальным тросом в трубке.
Если замедление автомобиля при столкновении превышает определенное значение, то пружина датчика 13 начинает сжиматься
а
б
6
4
7
8
9
5
10
18
17
11
13
3
2
16
1
14
15
12
Рис. 15.46. Тросовый натяжитель:
а — воспламенение; б — натяжение; 1 — защитная трубка; 2 — трубка; 3, 12 —
поршень; 4 — ремень безопасности; 5 — отбойная пластина с ударным штифтом; 6 — зубчатое кольцо вала; 7 — зубчатый сегмент; 8 — барабан; 9, 18 — механизм смотки ремня безопасности; 10, 15 — ударная пружина; 11 — стальной
трос; 13 — пружина датчика; 14 — кронштейн датчика; 16 — газогенератор;
17 — болт датчика
636
Глава 15. Системы безопасности
под действием массы датчика. Масса датчика состоит из кронштейна датчика 14, газогенератора 16 с пиротехническим выталкивающим зарядом, ударной пружины 15, поршня 3 и трубки 2.
Если кронштейн 14 переместился на расстояние, превышающее норму, газогенератор 16, удерживаемый в состоянии покоя с помощью болта датчика 17, высвобождается в вертикальном направлении. Натянутая ударная пружина 10 выталкивает его по направлению ударного штифта в отбойной пластине. При столкновении
газогенератора с ударным штифтом происходит воспламенение
выталкивающего заряда газогенератора (рис. 15.46, а).
В этот момент газ выталкивается в трубку 2 и перемещает поршень 3 со стальным тросом 11 вниз (рис. 15.46, б). При первом
движении троса, намотанного на муфту, зубчатый сегмент 7 сдвигается под действием силы ускорения радиально с барабана по направлению наружу и входит в зацепление с зубчатым кольцом
вала 6 механизма смотки ремня безопасности 9.
Шариковый натяжитель ремня безопасности состоит из компактного модуля, в который наряду с распознавателем пристегнутого ремня безопасности также входит ограничитель усилия натяжения ремня безопасности (рис. 15.47). Механическое срабатывание
происходит только тогда, когда распознаватель пристегнутого ремня
безопасности определяет, что ремень безопасности пристегнут.
Шариковый натяжитель ремня безопасности приводится в действие шариками. Шарики помещены в трубку 8. При столкновении по сигналу блока управления подушек безопасности воспламеняется выталкивающий заряд 6 (рис. 15.47, б). На натяжителях
ремней безопасности с электроприводом активацию приводного
механизма производит блок управления подушек безопасности.
При воспламенении выталкивающего заряда расширяющиеся газы
приводят в движение шарики и направляют их через зубчатое колесо 10 в баллон 11 для сбора шариков.
Так как катушка ремня безопасности прочно соединена с зубчатым колесом, она вращается при помощи шариков и ремень втягивается (рис. 15.47, в).
Роторный натяжитель ремней безопасности (рис. 15.48, а) работает по принципу ротора. Натяжитель состоит из ротора 2, пиропатрона 1, приводного механизма 3.
637
15.7. Системы пассивной безопасности
б
а
Активация
6
4
7
3
5
8
9
в
2
10
11
1
12
Рис. 15.47. Шариковый натяжитель:
а — общий вид; б — воспламенение; в — натяжение; 1, 10 — зубчатое колесо;
2, 11 — баллон для шариков; 3 — приводной механизм (механический или
электрический); 4, 6 — пиротехнический выталкивающий заряд; 5, 7 — ремень безопасности; 8, 12 — трубка с шариками; 9 — механизм смотки ремня
безопасности
Первый пиропатрон активируется с помощью механического
или электрического привода, при этом расширяющийся газ вращает ротор (рис. 15.48, б). Так как ротор соединен с валом ремня, то
ремень безопасности начинает втягиваться. По достижении определенного угла вращения ротор освобождает перепускной канал 10
ко второму патрону. Под действием рабочего давления в камере 1
воспламеняется второй патрон, благодаря этому ротор продолжает вращаться (рис. 15.48, в). Сгоревший газ из камеры 1 выходит
через выпускной канал 9.
При достижении второго перепускного канала 8 происходит
воспламенение третьего патрона под действием рабочего давления
в камере 2 (рис. 15.48, г). Ротор продолжает вращаться и сгоревший газ из камеры 2 выходит через выпускной канал 5.
Для плавной передачи усилия на ремень применяются различные
передающие устройства шарикового или реечного типа (рис. 15.49).
638
Глава 15. Системы безопасности
б 5
7
а
2
3
6
8
4
10
9
в
1
11
г
12
13
14
Рис. 15.48. Роторный натяжитель:
а — общий вид; б — действие первого пиропатрона; в — действие второго
пиропатрона; г — действие третьего пиропатрона; 1 — пиропатрон; 2 — ротор;
3 — приводной механизм; 4 — ремень безопасности; 5, 9 — выпускной канал;
6, 8, 10 — перепускные каналы; 7 — срабатывание первого пиропатрона; 11 —
срабатывание второго пиропатрона; 12 — камера 1; 13 — срабатывание третьего
пиропатрона; 14 — камера 2
Реечный преднатяжитель работает следующим образом. По сигналу блока управления подушками безопасности поджигается заряд пиропатрона. Под давлением образующихся при этом газов
поршень 8 с рейкой перемещается вверх, вызывая вращение находящейся с ним в зацеплении шестерни 3. Вращение шестерни 3
передается на шестерни 2 и 4. Шестерня 2 жестко связана с наружным кольцом 7 обгонной муфты, передающей крутящий момент на торсионный вал 6. При повороте кольца 7 ролики 5 муфты
заклиниваются между ним и торсионным валом. В результате вращения торсионного вала ремень безопасности натягивается. Натяжение ремня прекращается при достижении поршнем демпфера.
В более сложных системах пассивной безопасности кроме пиротехнических преднатяжителей ремня безопасности применяются
639
15.7. Системы пассивной безопасности
а
б
1
2
3
5
4
5
6
7
8
9
Рис. 15.49. Реечный преднатяжитель ремня безопасности:
а — исходное положение; б — завершение натяжения ремня; 1 — демпфер; 2,
3, 4 — шестерни; 5 — ролик; 6 — торсионный вал; 7 — наружное кольцо обгонной муфты; 8 — поршень с зубчатой рейкой; 9 — пиропатрон
реверсивный преднатяжитель ремня
безопасности с блоком управления
и адаптивный (отключаемый) ограничитель усилия натяжения ремня
безопасности (рис. 15.50).
Каждый реверсивный преднатяжитель ремня безопасности контролируется отдельным блоком управления. В зависимости от команд, передаваемых по шине данных, блоки
управления преднатяжителей ремней
безопасности управляют подключенными исполнительными электродвигателями.
1
2
3
Рис. 15.50. Ремень безопасности с реверсивным преднатяжителем:
1 — зубчатая передача; 2 — крюк;
3 — ведомый диск
640
Глава 15. Системы безопасности
Реверсивные преднатяжители имеют три уровня усилия срабатывания:
1) малое усилие — выборка слабины ремня безопасности;
2) среднее усилие — частичное натяжение;
3) высокое усилие — полное натяжение.
Если блок управления подушек безопасности распознает легкое фронтальное столкновение, при котором срабатывания пиротехнического преднатяжителя ремня безопасности не требуется,
он передает соответствующий сигнал на блоки управления преднатяжителей ремней безопасности. Они дают команду на полное
натяжение ремней безопасности исполнительными электродвигателями.
Вал электродвигателя (на рис. не показан), вращаясь, через
зубчатую передачу приводит во вращение ведомый диск, который
соединен с валом ремня безопасности двумя выдвижными крюками (см. рис. 15.50). Ремень безопасности наматывается на вал
и натягивается.
Если вал электродвигателя не вращается или слегка поворачивается в обратном направлении, крюки могут сложиться и освободить вал ремня безопасности.
Отключаемый ограничитель усилия натяжения ремня безопасности вступает в действие после срабатывания пиротехнических
преднатяжителей. При этом стопорный механизм блокирует вал
ремня, препятствуя сматыванию с него ремня под действием возможного воздействия инерции тел пассажиров и водителя.
Ограничители усилия натяжения ремней безопасности. Чтобы
нагрузки, которые могут воздействовать на пассажиров при аварии, не были слишком большими, автоматические механизмы втягивания оснащены ограничителем усилия натяжения ремня безопасности. Ограничитель усилия натяжения ремня безопасности
приотпускает при определенной нагрузке ремень безопасности,
обеспечивая тем самым погружение пассажиров в уже раскрывшуюся подушку безопасности.
Самым простым техническим решением для ограничения усилия натяжения ремня безопасности является петлеобразно прошитый ремень безопасности (рис. 15.51). При слишком большом
усилии натяжения ремня швы рвутся, и ремень безопасности стано-
641
15.7. Системы пассивной безопасности
2
3
1
Рис. 15.51. Петлеобразный прошитый ремень безопасности:
1 — прошитая зона ремня безопасности; 2 — швы; 3 — зажим ремня
вится длиннее. Он позволяет уменьшить усилие натяжения и снизить нагрузку, воздействующую на пассажиров.
Более сложным является торсионный ограничитель усилия натяжения ремня безопасности (рис. 15.52). Таким ограничителем
усилия натяжения ремня безопасности оснащаются шариковые,
роторные, ленточные и реечные натяжители ремней безопасности.
С левой стороны катушка 1 ремня безопасности 3, соединенная
с торсионным валом 2, свободно вращается во внутреннем кольце
зубчатого колеса. С правой стороны зубчатое колесо 4 соединено
с торсионным валом. Для фиксации ограничителя предусмотрен
стопор 6.
Усилие натяжения ремня безопасности ограничивается торсионным валом в катушке ремня безопасности. В зависимости от
усилия натяжения ремня безопасности торсионный вал скручивается на больший или меньший угол, уменьшая тем самым пиковые
нагрузки.
3
4
Рис. 15.52. Торсионный ограничитель усилия натяжения ремня
безопасности:
1 — катушка; 2 — торсионный вал;
3 — ремень безопасности; 4 — зубчатое колесо; 5 — механизм смотки ремня; 6 — стопор
2
1
6
5
642
Глава 15. Системы безопасности
В современных автомобилях применяется система предупреждения о необходимости пристегнуть передние ремни безопасности. После включения зажигания блок управления подушками
безопасности анализирует показания датчика замка ремня безопасности водителя, а также показания датчика замка ремня безопасности переднего пассажира, совместно с показаниями датчика
занятости переднего пассажирского сиденья. Занятость переднего
места пассажира блок управления распознает на основании величины сопротивления датчика занятости сиденья. Если водитель
или передний пассажир не пристегнули ремни безопасности, то
в комбинации приборов засветится контрольная лампа, сигна
лизирующая о необходимости пристегнуть ремень безопасности,
и одновременно раздастся акустический сигнал.
Подголовники. Конструкция передних сидений рассчитана на
снижение вероятности травмирования шейного отдела позвоночника. Различают активные и пассивные подголовники. В обеих
системах риск травмирования шейного отдела позвоночника снижается за счет того, что уменьшается ускорение головы относительно плеча при ударе сзади. В пассивных системах используется
особая конструкция сиденья в целом, подголовников, а также отсутствуют подвижные детали между головой и подголовником.
Активный подголовник — это работающая по чисто механическому принципу система, которая при ударе сзади перемещает
подголовник вперед к голове, чтобы сократить расстояние между
головой и подголовником (рис. 15.53).
а
б
3
Рис. 15.53. Схема работы активного подголовника:
2
1
а — в состоянии покоя; б — в рабочем состоянии; 1 — опорный щиток; 2 — рычажный механизм; 3 —
функциональный блок
15.7. Системы пассивной безопасности
643
Благодаря уменьшению относительного ускорения между плечами и головой существенно снижается опасность перелома шейных
позвонков. При наезде на автомобиль сзади пассажир вдавливается
в спинку сиденья. Эта сила передается через подушку сиденья на
опорный щиток, который расположен в месте позвоночной области пассажира. Опорный щиток через рычажный механизм связан
с функциональным блоком «активный подголовник» в верхней
части спинки сиденья. При ударе опорный щиток в месте позвоночной области пассажира перемещается назад, при этом подголовник автоматически перемещается вперед.
В качестве подголовников могут применяться специальные конструкции с определенным профилем и наполнителем (подголовники WOKS (Whiplash Optimized Head Restraint System). При наезде сзади эти подголовники обеспечивают защиту от хлыстовой
травмы благодаря особому профилю и зонам со специальным наполнителем, которые оптимально распределяют нагрузки (рис. 15.54).
Подушки безопасности. Наиболее эффективным элементом
пассивной безопасности является применение систем надувных
подушек безопасности (airbag) (рис. 15.55). Система надувных подушек безопасности в комплексе с диагонально-поясными инерционными ремнями безопасности в случае аварии при фронтальном
столкновении обеспечивает дополнительную защиту головы и грудной клетки водителя и пассажира на переднем сиденье и снижает
вероятность тяжелых травм и гибели людей при авариях на 40 %.
Автомобили, оснащенные системой airbag для водителя и пассажира переднего сиденья, можно отличить по надписи на мягкой
панели рулевого колеса и на правой стороне панели приборов.
Основными элементами системы яв
ляются набор инерционных электромеханических и электронных датчиков
(3–5), пиропатроны газогенератора (источник энергии), подушки безопасности
для водителя (в рулевом колесе) и пассажира (справа в панели приборов), ус
тройство электронного контроля и уп
равления, контрольная лампа на приРис. 15.54. Подголовник
борной панели.
WOKS
644
Глава 15. Системы безопасности
11
12
13
10
9
14
8
15
7
16
20
6
21
17
5
3
4
18
19
22
23
2
1
24
25
26
Рис. 15.55. Система надувных подушек безопасности (на примере Audi A3):
1 — датчик удара боковой подушки безопасности за водителем (задняя стойка кузова); 2 — пиропатрон заряда газогенератора верхней подушки безопасности водителя; 3 — пиропатрон заряда газогенератора натяжителя ремня
безопасности водителя; 4 — выключатель в замке ремня безопасности водителя; 5 — пиропатрон заряда газогенератора боковой подушки безопасности
водителя; 6 — датчик удара боковой подушки безопасности со стороны водителя (передняя дверь): 7 — пиропатрон газогенератора подушки безопасности водителя; 8 — диагностическая розетка; 9 — щиток приборов с контрольными лампами ремней безопасности и подушек безопасности; 10 — блок
15.7. Системы пассивной безопасности
645
управления двигателем; 11 — датчик удара фронтальной подушки безопасности водителя (левая передняя часть кузова); 12 — датчик удара фронтальной подушки безопасности переднего пассажира (правая передняя часть кузова); 13 — контрольная лампа отключения подушки безопасности переднего
пассажира; 14 — выключатель для отключения подушки безопасности переднего пассажира, работающий от ключа; 15 — диагностический интерфейс
шины данных (межсетевой интерфейс); 16 — пиропатрон первого и второго
зарядов газогенератора подушки безопасности переднего пассажира; 17 —
блок управления подушек безопасности; 18 — выключатель в замке ремня
безопасности переднего пассажира; 19 — датчик наличия пассажира на переднем сиденье; 20 — пиропатрон заряда газогенератора боковой подушки безопасности переднего пассажира; 21 — датчик удара боковой подушки безопасности со стороны переднего пассажира (передняя дверь); 22 — пиропатрон
заряда газогенератора натяжителя ремня безопасности переднего пассажира;
23 — пиропатрон заряда газогенератора верхней подушки безопасности переднего пассажира; 24 — датчик удара боковой подушки безопасности за передним пассажиром (задняя стойка кузова); 25 — центральный блок управления систем комфорта; 26 — пиропатрон заряда газогенератора отключения
аккумуляторной батареи
Электромеханические ударные датчики работают по принципу
обычного концевого выключателя — в трубке находится металлический шарик, который при резком ударе преодолевает сопротивление пружин и замыкает контакт, при этом образуется электрическая цепь, необходимая для работы системы.
В настоящее время вместо механических применяются электронные датчики. Такой датчик состоит из корпуса, блока обработки
данных и микромеханического датчика ускорения, который может
быть пьезоэлектрическим, конденсаторным или другого типа.
Датчик ускорения конденсаторного типа устроен как конденсатор (рис. 15.56). Отдельные пластины конденсатора закреплены
неподвижно. Сопряженные с ними элементы являются подвижными и выполняют роль сейсмической массы. При столкновении
сейсмическая масса, в данном случае подвижные пластины, перемещается в направлении неподвижных пластин и емкость конденсатора меняется. Блок обработки данных обрабатывает эту информацию, переводит ее в цифровой вид и передает в блок управления
подушками безопасности.
Вместо датчиков ускорения для распознавания столкновения
отдельные производители автомобилей устанавливают датчики дав-
646
Глава 15. Системы безопасности
a
б
2
1
3
Рис. 15.56. Схема работы датчика ускорения конденсаторного типа:
а — состояние покоя; б — столкновение; 1 — неподвижная пластина; 2 — подвижная пластина; 3 — блок обработки данных
ления, с помощью которых достигается более быстрое обнаружение удара в область двери.
При боковом столкновении эти датчики удара измеряют мгновенное изменение атмосферного давления в дверях.
Существуют два типа датчиков удара: емкостный и пьезоэлектрический датчик давления. Датчики обоих типов состоят из чувствительного элемента и электронной системы обработки данных,
установленных в один корпус.
Пьезоэлектрический датчик удара. Чувствительный элемент
пьезоэлектрического датчика состоит из герметичной полости, через
которую проходит мембрана с пьезокристаллами (рис. 15.57).
При ударе под воздействием давления мембрана деформируется, что вызывает смещение заряда в пьезокристаллах. Это смещение
заряда расценивается электронной системой обработки данных
как напряжение и передается в виде сигнала в блок управления
подушек безопасности.
Емкостный датчик давления. Чувствительный элемент емкостного датчика давления сконструирован как конденсатор. В герметичной полости расположена первая пластина конденсатора
(рис. 15.58).
647
15.7. Системы пассивной безопасности
а
1
б
2
3
Рис. 15.57. Пьезоэлектрический датчик удара:
а — состояние покоя; б — столкновение; 1 — мембрана; 2 — слой из пьезокристаллов; 3 — блок обработки данных
а
б
3
2
d
d
1
Рис. 15.58. Емкостный датчик удара:
а — состояние покоя; б — столкновение; 1 — первая пластина конденсатора;
2 — вторая пластина конденсатора; 3 — блок обработки данных
Вторая пластина конденсатора представляет собой мембрану,
проходящую через полость. Если на мембрану воздействует давление, то расстояние (d) между пластинами конденсатора изменяется. Это изменение обрабатывается электронной системой обработки данных, а затем передается в виде сигнала в блок управления
подушек безопасности.
Инерционные датчики устанавливаются в бампере, моторном
отсеке, стойках или в районе подлокотника. В память датчиков заложены просчитанные заранее параметры, которые для данной
модели автомобиля означают превышение допустимого удара.
В случае аварии датчики посылают сигнал в электронный блок
управления. В большинстве современных систем фронтальные
датчики рассчитаны на силу удара при скорости 25...50 км/ч, боковые могут срабатывать при более слабых ударах. Из электронного блока управления сигнал поступает на основной модуль, который состоит из компактно уложенной подушки, соединенной
с газогенератором.
648
Глава 15. Системы безопасности
Расплавляемая проволока или фронт пламени в пределах элемента зажигания (капсюля) приводит в возбуждение газогенераторы надувной подушки безопасности. В современных конструкциях
срабатывание капсюля для зажигания газогенератора происходит
от переменного тока с целью предупреждения короткого замыкания в электрической системе питания постоянного тока автомобиля (неисправности в электропроводке). Для создания переменного
тока применяется конденсатор, включенный в конструкцию зарядного капсюля и подсоединенный последовательно в цепь возбуждения. Он заряжается, разряжается или перезаряжается приблизительно с частотой 100 кГц.
В газогенераторе, называемом часто пиропатроном (таблеткой),
диаметром 10 см и толщиной 1 см, используются кристаллы твердого топлива, при сгорании которого выделяется газ, заполняющий, а точнее, надувающий подушку. В качестве топлива обычно
выступает ядовитый азид натрия (NaN3), 45 % массы которого при
сгорании превращается в чистый азот, а остальное количество —
в углекислый газ (СО2), окись углерода (СО), воду (Н2О) и твердые частицы. Электрический импульс поджигает пиропатрон или
плавит проволоку, и кристаллы превращаются в газ. Сигналом для
срабатывания пиропатрона служит электрический импульс от датчиков удара (ускорения или давления), поступающий напрямую
или через электронный блок. Хотя процесс сгорания и происходит
быстро, он не носит взрывного характера. Сгорание идет в три этапа: поджигание, возгорание для запала и горение рабочего заряда.
В очень короткое время система развивает мощность до 60 кВт, но
взрыва не происходит. Сгорание топлива и наполнение подушки
объемом 50...60 л для водителя длится 30...35 мс, подушка безопасности для пассажира объемом 100...140 л устанавливается в зоне
перчаточного отсека и наполняется приблизительно за 50 мс. Это
время меньше времени моргания глаза, которое составляет 100 мс.
Для предотвращения травм от надувания подушки, движущейся со скоростью 200...300 км/ч навстречу грудной клетке, современные подушки надуваются в два этапа: сначала примерно на
70 %, а при соприкосновении с телом — полностью, для этого применяются двухступенчатые газогенераторы (рис. 15.59).
Благодаря радиальному распрямлению воздушного мешка и последовательному воспламенению зарядов в таких газогенераторах
649
15.7. Системы пассивной безопасности
1
8
2
7
3
4
5
6
Рис. 15.59. Пиропатроны с газовым баллоном:
1 — первый запал; 2 — первый заряд; 3 — шток с поршнем; 4 — защитная
пленка; 5 — каналы подачи газа в подушку безопасности; 6 — газовый баллон;
7 — второй заряд; 8 — второй запал
существенно снижается нагрузка, которая действует на водителя
при аварии. В зависимости от тяжести и вида аварии промежуток
между срабатываниями обоих пиропатронов может составлять примерно от 5 до 50 мс. Срабатывают всегда оба заряда, чтобы после
раскрытия подушки безопасности не оставался еще один, несработавший пиропатрон.
При аварии блок управления подушками безопасности дает
команду на воспламенение первого заряда. Образующееся давление ускоряет поршень, который открывает газовый баллон. Выделяющийся газ наполняет и раскрывает подушку безопасности.
В результате сгорания второго заряда в воздушный мешок поступает дополнительное количество газа.
Скорость наполнения подушки выбрана в соответствии с временем перемещения водителя (пассажира) при столкновении с подушкой. Сразу же после наполнения, но медленнее, за 200 мс, подушка сдувается.
Оптимальное время наполнения подушки — 30...55 мс. Газ (азот
или другой безопасный для человека) поступает в подушку через
специальный фильтр. В развернутом состоянии подушка находится очень короткое время (до 1 с), так как газ через специальные
отверстия быстро выходит в салон, чтобы подушка не задушила
защищаемого пассажира.
Устанавливаются датчики в салоне, в передней части автомобиля или в дверях, при этом их количество может колебаться от трех
до десяти. На срабатывание датчиков влияет не только скорость
650
Глава 15. Системы безопасности
автомобиля, но и характер столкновения (под каким углом, с каким препятствием). В то же время экстренное торможение с любой скорости не может заставить сработать датчик удара. На случай выхода из строя аккумулятора некоторые системы снабжены
специальным конденсатором, который отдает накопленную энергию для открытия подушек безопасности.
Подушку изготавливают из нейлона толщиной 0,45 мм. Для
герметичности внутреннюю сторону покрывают очень тонким
слоем синтетической резины — неопреном или специальной силиконовой резиной.
Современные подушки подразделяются на три типа: фронтальные, боковые и потолочные.
Наполнение подушек в салоне — а их обычно от 2 до 6 — сопровождается повышенным шумом, уровень которого иногда достигает 140 дБ, что опасно для барабанных перепонок. Чтобы уменьшить шум, срабатывают только нужные подушки, и то в разное
время: например, через 20 мс после столкновения — водительская,
еще через 17 мс — пассажирские. Причем, если в салоне нет пассажиров, подушки безопасности не срабатывают, так как в сиденья
устанавливают специальные датчики, фиксирующие наличие пассажиров.
В большинстве существующих в настоящее время конструкций используется электронный блок, который устанавливается
в пассажирском салоне для координированного срабатывания систем защиты. Вычисления замедлений электронного блока срабатывания основаны на данных датчиков ускорения, предназначенных
для контроля сил замедления, которые сопровождают столкновение автомобиля. Центральный электронный блок возбуждения
должен отвечать требованиям:
идентификации ДТП или столкновения, основанной на данных, получаемых от электронного датчика ускорения и механического «детектора безопасности» или от двух электронных датчиков
ускорения (контроль с «полностью электронным распознаванием»
со схемой резервирования);
быстрого реагирования управляющих цепей, надувных подушек безопасности и натяжных устройств ремней безопасности,
основанного на алгоритмах цифрового запуска специального назначения, в ответ на различные виды ДТП (лобовое столкновение,
15.7. Системы пассивной безопасности
651
лобовое со смещением, столкновение или наезд под некоторым
углом, наезд на опору и т.п.);
стабильного напряжения и резервирования питания;
избирательного срабатывания натяжного устройства ремня
безопасности в соответствии с управляемым состоянием узла лента ремня — пряжка;
определения двух порогов срабатывания в зависимости от
того, действительно ли пользователь автомобиля использует ремень безопасности (высокий или низкий порог срабатывания интерфейса последовательной диагностики).
Для проверки исправности системы надувных подушек может
применяться система контроля. При включении зажигания около
10 с горит контрольная лампочка и затем гаснет. Если лампочка не
горит, не гаснет или загорается во время движения, это свидетельствует о неисправности системы.
Исследования специалистов свидетельствуют о том, что риск
гибели пешехода при ударе о капот автомобиля, движущегося со
скоростью всего 40 км/ч, достигает 100 %. Для решения этой проблемы компании активно работают над созданием подушек безопасности для пешеходов. Эта система защиты включает две подушки — большую, охватывающую переднюю часть автомобиля
(бампер, радиаторную решетку, фары и кромку капота), и маленькую, которая размещается у лобового стекла, защищая голову пешехода. Опасное приближение к пешеходам и животным распознается
специальными датчиками. Открываться эти подушки будут непосредственно перед столкновением.
Надувные занавески. Модули надувных занавесок (рис. 15.60)
расположены справа и слева над дверьми. Они спрятаны под обивкой крыши. Модули простираются от задних стоек кузова, на которых установлены их газогенераторы, до передних стоек.
Каждая занавеска раздувается как одно целое, перекрывая боковые стекла. Модули надувных занавесок вступают в действие
одновременно с расположенными на их стороне боковыми подушками безопасности. Надувные занавески полностью перекрывают боковые стекла и передние стойки, препятствуя проникновению в салон деталей кузова и осколков стекол. Надувная занавеска
остается в раздутом состоянии не менее 5 с, защищая пассажиров
от повторных ударов при переворачивании автомобиля.
652
Глава 15. Системы безопасности
Надувная
занавеска
Рис. 15.60. Надувная занавеска
Коленная подушка безопасности. В целях уменьшения травм
пассажиров при столкновениях в легковых автомобилях могут
применяться коленные подушки безопасности (рис. 15.61). При
срабатывании подушек безопасности для ног пассажиры быстрее
включаются в процесс замедления вместе с автомобилем. Таким
образом, система фронтальных подушек безопасности вместе с подушками безопасности для ног позволяет снизить риск травмирования водителя и переднего пассажира. После срабатывания
подушка безопасности разворачивается в пространстве между
приборной панелью и ногами пассажира и водителя.
Безопасные клеммы АКБ. Длинный кабель, соединяющий батарею со стартером, у автомобилей, в которых батарея устанавливается в багажнике или средней части автомобиля, может быть
Рис. 15.61. Коленная подушка
безопасности
653
15.7. Системы пассивной безопасности
а
б
2
2
3
1
3
1
Рис. 15.62. Безопасная клемма с разрывной перемычкой:
а — разрывная перемычка в обычном состоянии; б — разрывная перемычка
при срабатывании пиропатрона; 1 — соединительный элемент с разрывной
перемычкой; 2 — палец с поршнем; 3 — запал
причиной пожара из-за его повреждения при аварии. Поэтому при
срабатывании подушки безопасности с помощью пиропатрона производится отключение кабеля к стартеру и генератору от положительного вывода батареи. Питание остальной бортовой сети
сохраняется, так как при аварии необходимо сохранение работоспособности аварийной сигнализации и освещения. Безопасные
клеммы могут иметь прекращение подачи тока разрывом соединяющей перемычки, отстрелом штифта клеммы или иным способом.
В безопасных клеммах с разрывной перемычкой (рис. 15.62)
при воспламенении пиротехнического заряда давление газа воздействует на находящийся на поршне палец, который разрывает
соединение между контактами.
В безопасных клеммах с отстрелом штифта (рис. 15.63) кабель
отключается от положительного вывода отсоединением его коничеа
1
б
2
4
3
Рис. 15.63. Безопасная клемма с отстрелом штифта:
а — до срабатывания отстрела; б — после срабатывания отстрела; 1 — конический уловитель; 2 — кабель, соединяющий плюсовую клемму со стартером;
3 — плюсовая клемма; 4 — пластмассовая оболочка
654
Глава 15. Системы безопасности
ского штифта 1 при срабатывании пиропатрона. Случайное возоб
новление соединения наконечника кабеля с выводом батареи пре
дотвращается уловителем с двумя захватами.
Управление пиропатроном и его диагностика производятся
с помощью блока управления подушек безопасности.
Пиропатрон срабатывает при каждом раскрытии подушек безо
пасности, после чего его необходимо заменить.
Клеммы современных аккумуляторных батарей имеют встро
енные микропроцессоры, способные измерять ток заряда-разряда,
напряжение и температуру батареи. Эти данные передаются в цен
тральный блок управления, где принимается решение об отключе
нии части незначимых потребителей, например подогрева сидений,
в случае недостаточного зарядного тока генератора.
Безопасная конструкция кузова. Первоначальной целью кон
структоров является проектирование такого автомобиля, чтобы его
внешняя форма способствовала минимизации последствий основ
ных видов ДТП (столкновения, наезды, повреждение транспорт
ного средства).
Наиболее тяжелым ранениям подвергаются пешеходы, которые
наталкиваются на переднюю часть автомобиля. Последствия стол
кновения с участием легкового автомобиля могут быть уменьшены
лишь конструктивными мерами, которые, например, включают:
убираемые фары;
спрятанные заподлицо стеклоочистители;
заделанные заподлицо с панелями сточные желоба;
утопленные дверные ручки.
Определяющими факторами обеспечения безопасности пасса
жиров являются:
деформационные характеристики кузова автомобиля;
длина пассажирского отсека, объем пространства для выжи
вания во время и после возникновения столкновения;
удерживающие системы;
зоны возможного столкновения;
система рулевого управления;
извлечение пользователей;
противопожарная защита.
Для защиты от ударов на легковых автомобилях имеются три
различные области, которые в случае аварии должны принимать
655
15.7. Системы пассивной безопасности
а
б
Сила удара
Сила удара
Рис. 15.64. Распределение сил при ударе:
а — боковой удар; б — лобовой удар
удар на себя: верхняя, средняя и нижняя поверхности, т.е. соответственно крыша, боковая часть и днище автомобиля. Целью всех
мер по защите от удара является минимизация деформации кузова
и, следовательно, минимизация риска травматизма пассажиров при
ударе. Она достигается за счет того, что возникающие при ударе
силы целенаправленно действуют на конкретный компонент структуры кузова (рис. 15.64). Таким образом, снижается коэффициент
деформации деталей, на которые приходится удар, так как возникающие при этом силы распределяются по большей площади.
Одним из способов снижения безопасности при изготовлении
кузовов является применение многофункциональных литых узлов,
имеющих оптимизированные по толщине и массе стенки, а также
оптимизированную общую конфигурацию. Такие узлы изготовлены из алюминиевых сплавов и отливаются в вакууме. Эти детали
обладают не только высокой прочностью, но и пластичностью.
Поэтому их используют преимущественно в составе узлов, заведомо
деформируемых при ДТП, например в виде лонжеронов, опор амортизаторных стоек, а также передних и центральных стоек кузова.
Например, отливаемый в вакууме лонжерон (рис. 15.65) обладает
рядом преимуществ по сравнению с лонжероном, изготовляемым
по обычной технологии. Обе половины лонжерона оптимизированы по толщине стенок, а их конструкция и размещение ребер рассчитаны на строго определенные деформации. Места крепления
подвески на нижних частях лонжеронов сконструированы так, что
энергия удара расходуется прежде всего на деформацию лонжеронов,
656
Глава 15. Системы безопасности
2
1
Рис. 15.65. Передний
лонжерон автомобиля
Audi A2, установленный
на болтах:
1 — лонжерон; 2 — подрамник
а не относительно жесткого подрамника. Обе литые части лонжерона образуют многофункциональную конструкцию: они воспринимают усилия с объединенной подвески двигателя и коробки
передач, служат в качестве опор для домкрата и несут проушину
для буксировки.
Наибольшие проблемы разработчикам систем пассивной безопасности доставляет боковой удар. Запас зоны деформации при боковом столкновении, в отличие от передней или задней части автомобиля, составляет незначительную величину — всего 100...200 мм.
Фирма «Фореция» разработала механизм предотвращения последствий бокового удара (рис. 15.66). Механизм начинает работать за
0,2 с до столкновения по коду специальных сенсоров. По команде
а
б
1
2
3
4
Рис. 15.66. Механизм предотвращения последствий бокового удара:
а — исходное состояние механизма; б — рабочее состояние механизма;
1 — штырь; 2 — стержень; 3 — поворотный упор; 4 — возвратная пружина
657
15.7. Системы пассивной безопасности
контроллера уже через 60 мс удлиняется изготовленный из сплава
с памятью (Shape Memory Alloy) стержень 2, установленный под
сиденьями поперек кузова автомобиля, выдвигая стальной штырь
почти до самой двери. Одновременно срабатывает механизм внутри двери, поворачивая в рабочее положение упор 3. Теперь при
боковом ударе дверь не сможет вмяться внутрь кузова. Указанный
механизм позволяет уменьшить деформацию двери внутрь кузова
на 70 мм.
Работа механизма обратима, так как в нем нет одноразовых пиропатронов. Если аварии не случилось, штанга укоротится до исходной длины, а пружина подтянет штырь обратно.
В процессе разработки кузова наряду с безопасностью пассажиров все большее внимание уделяется безопасности пешеходов.
Снижение риска травматизма пешеходов или велосипедистов достигается применением соответствующих конструктивных технологий, обеспечивающих достаточное расстояние до жестких частей
двигателя в подкапотном пространстве; оптимизацию шарниров
и внутренней поверхности капота; снижение вероятности травмирования ног пешеходов благодаря использованию деформирующихся элементов, поперечин, рамок радиаторов и др. (рис. 15.67).
3
1
2
Рис. 15.67. Элементы кузова для защиты пешеходов:
1 — деформирующийся элемент; 2 — поперечина для защиты пешеходов;
3 — рамка радиатора
658
Глава 15. Системы безопасности
1
2
3
4
5
Рис. 15.68. Безопасный «подпрыгивающий» капот
Многие производители применяют системы направленных на
снижение нагрузок, действующих на пешехода при контакте с автомобилем. Уменьшение последствий травм при наезде на пешеходов обеспечивают «мягкий» бампер и «подпрыгивающий» капот
(рис. 15.68). Такая система предусматривает датчик касания пешехода, проложенный внутри пластикового бампера (поз. 1). При наезде характер деформации датчика используется для выявления
наезда на человека, чтобы избежать ложного срабатывания системы (поз. 2). Анализируя сигнал, блок управления дает команду на
срабатывание двух пиропатронов, которые установлены по краям
капота (поз. 3, 4).
Срабатывая, пиропатроны поднимают заднюю кромку капота
на 65 мм, увеличивая его прогиб и смягчая удар головы пешехода
(поз. 5).
Особенностями пассивной безопасности легковых автомобилей
с кузовом кабриолет, у которых отсутствует крыша, является защита пассажиров при опрокидывании автомобиля. В таких автомобилях усилены стойки и двери. Кроме того, за подголовниками
задних сидений расположено по одному активному элементу безо
15.7. Системы пассивной безопасности
659
2
1
Рис. 15.69. Защита пассажиров при опрокидывании автомобиля
на примере Volkswagen EOS:
1 — элемент безопасности в исходном положении; 2 — элемент безопасности
после срабатывания
пасности. Вместе с усиленными стойками активные элементы обеспечивают защиту пространства для выживания при опрокидывании автомобиля (рис. 15.69).
В состоянии покоя электромагниты элемента безопасности
обесточены и удерживают элементы с помощью фиксирующей
планки во вдвинутом положении. Если блок управления подушек
безопасности распознает столкновение или угрозу опрокидывания
автомобиля, на электромагниты подается напряжение и они освобождают элементы безопасности. Находящиеся в сжатом состоянии пружины распрямляются и выдвигают элементы безопасности за 0,25 с.
Выдвинутые элементы безопасности можно разблокировать
механически и вновь вернуть в исходное положение.
Защита при опрокидывании автомобиля срабатывает при помощи блока управления подушек безопасности при сильных лобовых, боковых и задних столкновениях, при опрокидывании автомобиля или при предельном боковом крене.
660
Глава 15. Системы безопасности
15.8. Вспомогательные средства безопасности
Датчик дождя и освещенности. Датчик дождя и освещенно
сти устанавливается на ветровом стекле, например между обеими
щетками, в наибольшем по высоте среднем положении в зоне пе
рекрытия стеклоочистителей (рис. 15.70).
Датчик дождя и освещенности предназначен для того, чтобы
при выявлении влаги на стекле включать стеклоочиститель в за
висимости от количества осадков с нулевого положения до макси
мального цикла очищения или включать фары в зависимости от
условий освещения. Включается датчик определенными рычагами
или выключателями.
Датчик дождя и освещенности состоит из комбинации свето
чувствительных элементов и светодиода (рис. 15.71). Все части
смонтированы на плате в корпусе датчика. Оптический элемент
перекрывает корпус датчика и ветровое стекло. Задачей оптиче
ского элемента является фокусирование и выравнивание исходя
щего и входящего света. Датчик прикреплен к ветровому стеклу
при помощи клеящей фольги. Для распознавания дождя исполь
зуются светодиод 6 и фотодиод 8.
Принцип работы датчика дождя состоит в том, что свет, исхо
дящий от светодиода, частично отражается на поверхности стекла
и, сфокусировавшись через оптический элемент, попадает на фото
диод. Если на улице сухо, весь свет отражается обратно и попадает
2
Рис. 15.70. Место установки
датчика дождя и освещенности:
1
1 — датчики дождя и освещенно
сти; 2 — зеркало заднего вида; 3 —
зона перекрытия действия стекло
очистителей; 4 — ветровое стекло
4
3
661
15.8. Вспомогательные средства безопасности
4
3
5
2
6
1
7
8
9
Рис. 15.71. Датчик дождя и освещенности:
1 — ветровое стекло; 2 — свет удаленного источника; 3 — проникающий внешний свет; 4 — капли дождя; 5 — оптический элемент; 6 — светодиод; 7 — дистанционный фотодиод-датчик; 8 — фотодиод; 9 — фотодиод — датчик внешнего освещения
на фотоприемник (так рассчитана оптическая система). Поскольку
луч модулирован импульсами, то на посторонний свет датчик не
среагирует, как телевизор, «не видящий» чужой пульт. Степень отражения света от диода и, таким образом, количество света, попадающего на фотодиод, изменяется, если стекло покрыто каплями
воды или имеет водяную пленку. Чем сильнее увлажнение, тем
меньше отражение преломленного света. На основании этого для
определения количества осадков используется выходной сигнал
фотодиода. Это фиксируется сенсором, и контроллер рассчитывает
подходящий режим работы стеклоочистителя. Время реагирования на дождь, т.е. время между распознаванием осадков и подачей
выходного сигнала на стеклоочиститель, составляет менее 20 мс.
Для распознавания освещения применяются дистанционный
фотодиод 7 и датчик внешнего освещения 9. Датчик 9 охватывает
световые условия непосредственного пространства вокруг автомобиля и служит для автоматического включения фар, а дистанционный датчик 7 — световые условия на расстоянии до трех длин
автомобиля по направлению движения.
Система распознает в целом уменьшение или увеличение освещенности и включает или выключает свет фар. Из разности сигналов обоих датчиков система, например, может определить, что
662
Глава 15. Системы безопасности
а
б
3
3
2
2
1
1
Рис. 15.72. Распознавание освещения:
а — разница освещенности меньше, чем значение порога включения, свет выключен; б — разница освещенности больше, чем значение порога включения,
свет включен; 1 — анализ внешней освещенности; 2 — анализ разности освещенности; 3 — анализ дистанционной освещенности
автомобиль въезжает в туннель (рис. 15.72), и свет фар включается не позднее въезда в туннель. Система действует таким образом,
что свет отключается лишь тогда, когда датчик света установит
достаточное значение освещенности. Если наряду с распознаванием света активно также распознавание дождя, то система включает
фары и при сильных осадках.
Темнеющие зеркала заднего вида. Исследования показывают,
что при ослеплении ярким светом через зеркало заднего вида происходит кратковременная потеря зрения и увеличивается время
реакции водителя. В связи с этим все более широко применяются
специальные темнеющие зеркала заднего вида, не допускающие
ослепления водителя светом фар движущегося сзади транспортного средства.
Ранние варианты зеркал (рис. 15.73, а), изменяющих обратный
световой поток, устроены аналогично жидкокристаллическим дис-
663
15.8. Вспомогательные средства безопасности
б
1
2 3 4 5
1 2 3 4 1
а
+
–
+–
Рис. 15.73. Темнеющие зеркала заднего вида:
а — жидкокристаллическое темнеющее зеркало (1 — стекло; 2 — слой жидких
кристаллов; 3 — маслопрозрачные электроды; 4 — отражающий слой); б —
электрохромное зеркало (1 — стекло; 2 — прозрачный электрод; 3 — нанопленка оксида вольфрама; 4 — слой твердого электролита; 5 — отражающее
металлическое покрытие-электрод)
плеям калькуляторов: между двумя стеклянными пластинами заключен тонкий слой жидкости, которая меняет коэффициент поглощения света под воздействием приложенного электрического
напряжения. Недостаток таких зеркал — уменьшение быстродействия при низких температурах, для устранения которого необходим подогрев, что усложняет конструкцию.
Затем появились варианты с использованием эффекта обратимого изменения светопропускания (рис. 15.73, б). Его демонстрируют пленки окислов ряда металлов, в частности вольфрам,
которые наносят непосредственно на стекло. Зеркало получается
однослойным, не боится холода и к тому же потребляет ток лишь
в моменты переключения. Такие зеркала получили название электрохромных и сегодня применяются на автомобилях многих марок.
Электрохромное зеркало состоит из стекла 1 с нанесенным
на него прозрачным электродом 2 из окиси индия, нанопленки 3
664
Глава 15. Системы безопасности
оксида вольфрама, слоя твердого электролита 4 и отражающего
металлического покрытия-электрода 5. Под воздействием электрического напряжения почти прозрачный оксид превращается
в окрашенную вольфрамовую бронзу и ослабляет дважды проходящий через него свет, а затем вновь обретает прозрачность.
В настоящее время используются автоматически темнеющие
зеркала NVS (Night Vision Safety) (рис. 15.74). Прозрачностью
стекла командует контроллер, сравнивающий сигналы от двух
фотодатчиков. Первый, направленный вперед, измеряет общую
освещенность, второй, направленный назад, ловит лучи фар едущих
сзади автомобилей. Слишком большая разница между показаниями
датчиков (спереди темно, сзади ярко) говорит об опасности ослепления. По показаниям датчиков выдается команда затемнить стекла
зеркал.
Система обеспечения безопасности при плохой видимости
LIDAR (Light Detection and Ranging). При движении автомобиля во время тумана, дождя и снегопада водитель, не видя перед
собой останавливающегося автомобиля, может не успеть своевременно нажать на педаль тормоза и остановиться. Для решения
данной проблемы компания Siemens VDO усовершенствовала свою
более раннюю разработку — адаптивный круиз-контроль, научив
3
4
2
1
Рис. 15.74. Автоматически темнеющее зеркало:
1 — фотодатчик, направленный назад; 2 — электронная плата; 3 — ветровое
стекло; 4 — фотодатчик, направленный вперед
15.8. Вспомогательные средства безопасности
665
его распознавать сработавшие стоп-сигналы у впереди идущего
автомобиля, а также эффективно работать в туман, дождь и снег.
Добились этого благодаря внедрению в конструкцию системы датчика LIDAR.
Конструктивно датчик LIDAR состоит из источника инфракрасного излучения, фотодиода, выполняющего функцию приемника отраженных лучей невидимого инфракрасного света, и электроники, обрабатывающей информацию.
Лазерный луч проходит через дождь, снегопад или туман расстояние до 250 м. Датчик непрерывно контролирует время распространения излучаемых и отраженных от препятствия инфракрасных
лучей. Имея в распоряжении эту информацию, ЭБУ вычисляет
изменение расстояния до впереди идущего транспортного средства. Датчик LIDAR также способен выявлять частицы воды (тумана, дождя). На основании полученной информации ЭБУ делает
вывод о плохой видимости и принимает решение о снижении скорости, для чего снижается частота вращения коленчатого вала двигателя и включается привод тормозных механизмов, для того чтобы
сохранить безопасный интервал. Усовершенствованная система также отличает транспортные средства от объектов недвижимости.
Система слежения за «мертвыми зонами» (Side Assist) контролируемые «мертвые зоны» и обстановку вокруг автомобиля,
предупреждает водителя, если тот не заметил помехи в зеркало заднего вида при необходимости смены ряда.
Два радарных датчика на 24 гГц в заднем бампере следят за
областью рядом и сзади автомобиля, чтобы предупредить водителя (дополнительно к изображению в зеркале заднего обзора) о любых приближающихся транспортных средствах. Диапазон дальности датчиков до 50 м.
Если система идентифицирует другое транспортное средство,
она сообщает об этом водителю миганием светодиода в наружном
зеркале.
Система определения усталости водителя. По статистике, в Германии каждое четвертое ДТП происходит в результате усталости
водителя, из-за кратковременного, неподконтрольного человеку
засыпания за рулем. Помочь в борьбе с этим явлением призвана
система DAS (Driver Attention System), разработанная фирмой
Siemens VDO. Миниатюрная инфракрасная видеокамера сканирует
666
Глава 15. Системы безопасности
правый
левый
лицо водителя в инфракрасном диапазоне и регистрирует частоту моргания глаз и направление взгляда
(рис. 15.75). Информация поступает
в компьютер, где после обработки
по алгоритму делается вывод о степени усталости человека за рулем.
Компьютер выделяет из картинки глаза и вычисляет не только морМоргание глаз
гания век, но и направление взгляда,
превращая их в последовательность
импульсов.
Если система обнаружит, что глаза водителя закрыты больше определенного времени или лицо его занимает в поле зрения видеокамеры
нестандартное положение, тогда водителя предупредит об опасности
вибрация сиденья. В случае даль- Рис. 15.75. Сканирование лица
нейшего нестандартного поведения
водителя
водителя начинает звучать звуковой
зуммер.
Дальнейшие разработки направлены на плавную остановку автомобиля и включение аварийного сигнала. Однако прежде надо
решить целый ряд законодательных вопросов, связанных с внезапной остановкой автомобиля, возможно, посередине полосы движения, что само по себе тоже небезопасно для остальных участников
движения.
Аналогичной является система, в которой видеокамера, расположенная за зеркалом заднего вида, смотрит не на водителя,
а на дорогу. Состояние водителя в этом случае оценивается по характерным изменениям в манере вождения, при этом определяется
влияние рассеянности или усталости на управление автомобилем,
например, если водитель засыпает, и автомобиль без включения
сигнала поворота начинает смещаться со своей полосы движения
или резко изменяется скоростной режим.
Как только система обнаружит нестандартное поведение водителя, включается звуковой сигнал предупреждения, а также может
667
15.8. Вспомогательные средства безопасности
загораться информация на приборной доске в виде чашечки дымящего кофе.
Проекционный дисплей. Проекционный дисплей — это устройство индикации информации различных систем автомобиля, проецирующая эту информацию на ветровое стекло, в поле зрения
водителя. Для считывания этой информации водителю практически не нужно менять направление взгляда. По-английски такие
дисплеи часто называют head-up display («голова поднята вверх»),
подчеркивая тот факт, что водителю не нужно наклонять голову.
Использование специального ветрового стекла, соответствующая схема проекции создают у водителя впечатление, что индикация проекционного дисплея находится не на ветровом стекле, а за
ним, на достаточно удобном удалении, примерно в 2...2,5 м от водителя, как бы висящая над капотом автомобиля (рис. 15.76).
Работа системы основана на принципе распознавания изображений. Камера, находящаяся в передней части автомобиля, воспринимает изображение дороги, которое затем анализируется специальной программой.
Источником изображения в проекционном дисплее 4 служит
прозрачная TFT-матрица высокого разрешения, состоящая из тонкопленочных транзисторов. Матрица просвечивается сильным источником света 3 (15 светодиодов), аналогично тому, как это происходит в диапроекторе. Свет, прошедший через матрицу, направляется
1
2
6
3
4
5
Рис. 15.76. Проекционный дисплей:
1 — виртуальное изображение; 2 — подвижное зеркало; 3 — источник света
проекционного дисплея; 4 — дисплей высокого разрешения; 5 — блок управления проекции: 6 — неподвижное зеркало
668
Глава 15. Системы безопасности
двумя зеркалами 2 и 6 на ветровое стекло. Зеркало 2 сделано подвижным и с его помощью можно изменять высоту видимого положения дисплея. Это позволяет отрегулировать положение изображения в зависимости от положения сиденья или роста водителя.
Кроме того, форма зеркал подобрана так, что они компенсируют
искажения изображения, возникающие вследствие изогнутой формы ветрового стекла.
Яркость свечения видимого изображения непрерывно адаптируется к яркости окружающего света. Для этого блок управления 5
получает данные об яркости окружения от датчика дождя и освещенности. Водитель также имеет возможность регулировать яркость изображения дисплея.
Ветровое стекло является важной составной частью оптической
системы проекционного дисплея. Проецируемое изображение отражается также и от ветрового стекла, которое в этом случае играет
роль третьего, полупрозрачного зеркала, что предъявляет очень высокие требования к геометрическим параметрам ветрового стекла.
Использование обычного ветрового стекла приводило бы к раздражающему раздвоению изображения. Поэтому в автомобилях с проекционным дисплеем устанавливается специальное ветровое стекло
(рис. 15.77).
Ветровое стекло для автомобилей с проекционным дисплеем
отличается от обычного тем, что полимерная пленка, находящаяся
между наружным и внутренним слоями стекла, имеет в нем не постоянную толщину, а выполнена слегка клинообразной. Наружная
и внутренняя поверхности ветрового стекла оказываются не совсем параллельными (кверху толщина стекла несколько увеличивается), и два изображения, образующихся в результате отраже1
а
б
1
2
2
Рис. 15.77. Ветровое стекло для автомобилей с проекционным дисплеем:
а — обычное стекло; б — стекло для автомобилей с проекционным дисплеем;
1 — плоские слои стекла; 2 — полимерная пленка
669
15.8. Вспомогательные средства безопасности
а
б
в
80 км/ч
80 км/ч
Рис. 15.78. Примеры отображения индикации на проекционном дисплее:
а — текущая скорость и отображение действующих знаков ограничения скорости с дополнительными табличками; б — текущая скорость и необходимость
доливки масла; в — текущая скорость и предупреждение ассистента ночного
видения о наличии пешехода
ния света от каждой из этих двух поверхностей, смещаются по
отношению друг к другу так, что сливаются в одно.
На проекционном дисплее могут отображаться следующие индикации (рис. 15.78):
текущая скорость автомобиля;
данные навигационной системы;
включение круиз-контроля или ассистента движения по полосе;
отображение действующих знаков ограничения скорости
с дополнительными табличками;
красные предупреждающие пиктограммы (например, о необходимости доливки масла);
предупреждение ассистента ночного видения и др.
ГЛАВА
16
СИСТЕМЫ КОМФОРТА
Комфорт — одно из основных потребительских качеств современного автомобиля. Повышение комфорта является приоритетным направлением совершенствования транспортных средств. Под
комфортом понимается совокупность психических и физических
ощущений человека в процессе его контакта с автомобилем или
отдельными его элементами.
Комфорт в автомобиле реализуется с помощью различных механических и электронных систем, именуемых системами комфорта. Состав систем комфорта различается в зависимости от
класса автомобиля. Чем выше класс автомобиля, тем он более комфортный, соответственно обладает большим числом систем комфорта.
Ниже рассмотрены основные системы комфорта: системы кондиционирования воздуха и климат-контроля, индивидуальные
отопители-подогреватели, системы навигации.
16.1. Системы кондиционирования воздуха
и климат-контроля
Система кондиционирования воздуха. Система обогрева воздуха в салоне автомобиля не способна обеспечивать необходимый
температурный режим. При температуре окружающего воздуха,
превышающей 20 °С, необходимо его охлаждение для создания
комфортных условий водителю и пассажирам. Для решения этой
задачи применяются системы кондиционирования. Схема системы кондиционирования показана на рис. 16.1.
Система заполняется хладагентом, который, в зависимости от
температуры и давления, может переходить из газообразного
671
16.1. Системы кондиционирования воздуха и климат-контроля
14
13
1
2
12
11
10
3
9
8
4
5
6 7
Высокое давление, жидкость
Низкое давление, жидкость
Высокое давление, газ
Низкое давление, газ
Рис. 16.1. Система кондиционирования воздуха:
1 — компрессор; 2 — электрическая муфта; 3 — конденсатор; 4 — вспомогательный вентилятор; 5, 7 — датчики давления; 6 — ресивер-осушитель; 8 —
температурный выключатель; 9 — термодатчик; 10 — поддон для конденсата;
11 — испаритель; 12 — вентилятор испарителя; 13 — выключатель вентилятора;
14 — редукционный клапан
в жидкое состояние, и наоборот. До недавнего времени хладагентом автомобильных кондиционеров был фреон R12. После опубликования теории разрушения озонового слоя земной атмосферы
хладфторуглеродами, содержащимися в хладагенте R12, его применение сократилось.
В современных системах кондиционирования используется
фреон R134а (тетрафторэтан), который считается «экологически
чистым». Этот хладагент относится к классу гидрофторуглеродов
(HFC), не содержит хлора и нетоксичен, но эффективность его на
10...15 % ниже, чем R12, и он более текуч. Однако для стабильной
работы автомобильных кондиционеров, использующих R134a,
требуется более высокое рабочее давление. Применение хладагента R134а привело к усложнению систем кондиционирования. Необходимо отметить, что новый и старый хладагенты несовместимы,
так как несовместимы компрессорные масла, заправляемые вместе
с ними.
672
Глава 16. Системы комфорта
2
Рис. 16.2. Ресивер-осушитель:
1 — подача хладагента от конденсатора; 2 — подача хладагента к редукционному клапану; 3 — осушитель;
4 — фильтр-сетка; 5 — ресивер
3
1
5
4
При определенных температурах и давлении охлажденный
хладагент конденсируется и переходит в жидкое состояние. Снизу
хладагент выходит из конденсатора и в жидком состоянии поступает в ресивер-осушитель, устанавливаемый на выходном трубопроводе конденсатора перед испарителем (рис. 16.2). Ресивер-осу
шитель не только обеспечивает хранение хладагента, но и фильтрует его, удаляет влагу (иногда фильтр устанавливается отдельно
от ресивера). Влага удаляется с помощью специального адсорбента, который имеет ограниченный срок службы.
Ресивер 5 служит для сглаживания колебаний потока хладагента.
В осушителе 3 удаляется влага, которая проникла в контур
хладагента при монтаже или из окружающей среды, а также осаждаются продукты износа частей компрессора, грязь, попавшая в контур при монтаже, и прочие инородные примеси. Ресивер-осушитель
может снабжаться смотровым окном для контроля за количеством
хладагента. В случае выхода из строя ресивер-осушитель не ремонтируется и подлежит замене.
16.1. Системы кондиционирования воздуха и климат-контроля
673
После осушителя хладагент поступает к редукционному клапану (рис. 16.3). В редукционном клапане перед испарителем понижается давление жидкого хладагента, что приводит к охлаждению испарителя. Редукционный клапан находится на границе
разделения сторон низкого и высокого давления контура хладагента. В клапане регулируется поток хладагента к испарителю
в зависимости от температуры паров хладагента на выходе из испарителя, поэтому в испарителе испаряется столько хладагента,
сколько необходимо для поддержания равномерного «холода»
в испарителе.
4
PF u
3
PS a
К компрессору
(низкое давление)
От конденсатора
(высокое давление)
От испарителя
(низкое давление)
К испарителю
(низкое давление)
2
PFe
1
Рис. 16.3. Редукционный клапан:
1 — регулировочная пружина; 2 — шариковый клапан; 3 — мембрана; 4 — термостат с сенсорной трубкой и хладагентом
674
Глава 16. Системы комфорта
Если температура хладагента, выходящего из испарителя, повышается, то хладагент расширяется в термостате 4, установленном на редукционном клапане. Мембрана 3 при этом прогибается,
и поток хладагента через шариковый клапан 2 к испарителю увеличивается.
Если температура хладагента, выходящего из испарителя, понижается, то объем хладагента в термостате уменьшается и мембрана 3 возвращается в верхнее положение. Поток хладагента через шариковый клапан к испарителю уменьшается.
Термостатический расширительный клапан функционирует под
действием трех сил:
первая — давление в сенсорной трубке, зависит от температуры сильно нагретого хладагента и действует в качестве силы отпирания (PFu) на мембрану;
вторая — давление в испарителе (PSa), действует на мембрану в противоположном направлении;
третья — давление регулировочной пружины (PFe), действует в том же направлении, что и давление в испарителе.
Редукционный клапан разбрызгивает охлажденную жидкость,
подавая ее в испаритель, где процесс испарения ускоряется. Для
этого испаритель имеет большую поверхность и является теплообменником между хладагентом и окружающим воздухом. Хладагент, пройдя через редукционный клапан и став легкоиспаряющимся с низким давлением, при прохождении в туманообразном
состоянии через трубопровод алюминиевого испарителя под действием потока воздуха от вентилятора, испаряясь, превращается
в газ при температуре −2 °С и давлении 2,0 кг/см2. При этом ребра
трубопровода испарителя становятся холодными от теплоты парообразования, а воздух внутри автомобиля — прохладным. Кроме
того, влага, содержащаяся в воздухе, от охлаждения превращается
в воду и вместе с пылью по спусковому трубопроводу стекает
в поддон для конденсата, а затем на землю.
Газообразный хладагент по трубопроводу поступает в компрессор, который приводится в действие от вала двигателя. Компрессор
сжимает газ до высокого давления. Работает он от муфты, которая
приводится в действие шкивом коленчатого вала через приводной
ремень. Если на электромагнит муфты не подается напряжение, то
вращается только сам шкив муфты компрессора и не вращается
16.1. Системы кондиционирования воздуха и климат-контроля
675
вал компрессора. При подаче напряжения на магнитную муфту
диск и втулка муфты перемещаются назад и соединяются со шкивом. Шкив и диск под действием сил становятся одним блоком
и приводят во вращение вал компрессора.
Компрессоры климатических установок бывают различного
типа:
поршневые;
спиральные;
лопастные;
аксиально-поршневые;
с приводом от электродвигателя.
В системах кондиционирования наиболее распространены компрессоры с переменной производительностью аксиально-поршне
вого типа (рис. 16.4).
С ведущим валом компрессора соединена наклонная шайба,
которая при вращении перемещает несколько (5–7) поршней.
Корпус с цилиндрами закрыт крышкой с системой клапанов. Производительность компрессора определяется заданной температурой охлаждения. У таких компрессоров может изменяться наклон
шайбы, что приводит к изменению хода поршней и, следовательно,
1
2
3
5 6
4
4
6
Рис. 16.4. Схема аксиально-поршневого компрессора переменной
производительности с вращающимся наклонным диском:
1 — шкив; 2 — электромагнит; 3 — наклонная шайба; 4 — поршень; 5 — крышка
блока цилиндров насоса; 6 — клапаны
676
Глава 16. Системы комфорта
производительности. Компрессоры этих типов меньше влияют на
работу двигателя при включении муфты, что очень важно для маломощных двигателей. Кроме того, они обеспечивают большую
стабильность заданной температуры.
Компрессор в зависимости от частоты вращающего его вала
превращает газообразный хладагент низкого давления, идущий
от испарителя, в газ высокой температуры и высокого давления
(80 °С, 15 кг/см2). Хладагент должен быть в газообразном состоянии, поскольку жидкий хладагент нельзя сжать и это привело бы
к разрушению компрессора. Компрессор уплотняет хладагент и нагнетает его в виде горячего газа в конденсатор (сторона высокого
давления контура хладагента). Таким образом, компрессор представляет собой место разделения сторон низкого и высокого давления контура хладагента.
Смазывается компрессор специальным компрессорным маслом,
циркулирующим по всей системе вместе с хладагентом. В системах, работающих с фреоном R12, применяются минеральные масла,
с R134а — полиалкиленово-гликолевое (PAG). При смешивании
этих масел образуется мутная густая масса, приводящая к выходу
из строя системы кондиционирования, и в первую очередь компрессора. При дозаправке кондиционера хладагентом и доливке
масла используются только те компоненты, которые предназначены для данной системы. Как правило, в моторном отсеке автомобиля есть наклейки, указывающие тип хладагента, его количество
и соответствующие ему тип и количество масла (наклейки для
R134а — зеленого цвета, для R12 — желтого).
От компрессора горячий газообразный хладагент с температурой около 50...70 °C подается в конденсатор, который служит для
превращения высокотемпературного хладагента, идущего от компрессора, из газообразного в жидкое состояние с выделением тепла
в атмосферу. Конденсатор состоит из изогнутых трубок, которые
соединены перегородками, и имеет большую поверхность охлаждения, чем достигается высокая теплопередача. Трубки и ламели
конденсатора воспринимают тепло хладагента. Количество выделяемого хладагентом тепла в конденсаторе определяется количеством поглощенного испарителем тепла из окружающей среды
и работой компрессора, необходимой для сжатия газа. Конденсатор обычно устанавливается на самой передней части автомобиля
и принудительно охлаждается воздухом вентилятора системы
677
16.1. Системы кондиционирования воздуха и климат-контроля
4
а
А
б
5
В
1
3
2
Рис. 16.5. Принцип работы датчика давления системы кондиционирования:
а — нормальное давление хладагента; б — пониженное давление хладагента;
1 — электронный блок управления; 2 — хладагент; 3 — утечка хладагента;
4, 5 — датчики давления; А — расстояние между пластинами конденсатора
при нормальном давлении; В — расстояние между пластинами конденсатора
при пониженном давлении
охлаждения двигателя или дополнительным вентилятором и потоком воздуха, возникающим при движении автомобиля. Холодный наружный воздух проходит через конденсатор, забирает тепло, благодаря чему хладагент охлаждается.
Система кондиционирования снабжается датчиками давления
4 и 5 (рис. 16.5), которые не позволяют включать работу системе
при давлении хладагента в системе ниже определенной величины.
Измерительный элемент датчика, определяющий давление, работает на принципе измерения электрической емкости пластинчатого конденсатора.
При измерении давления в контуре циркуляции хладагента
меняется расстояние между пластинами конденсатора в датчике,
что приводит к изменению электрической емкости конденсатора,
т.е. его способности накапливать энергию. Чем меньше расстояние
между пластинами, тем меньше емкость, и наоборот. Электронный
блок датчика воспринимает эти изменения и преобразует их в сигнальное напряжение, пропорциональное давлению.
Для контроля температурного режима работы системы предусмотрены температурные датчики.
Климат-контроль. В настоящее время широкое распространение получили кондиционеры с электронным управлением —
678
Глава 16. Системы комфорта
системы климат-контроля (HVAC — Heating, Ventilation and Air
Conditioning).
Если обычный кондиционер работает только в режиме, который ему задает водитель (регулирует скорость потока воздуха
и устанавливает интенсивность охлаждения), то автоматизированный климат-контроль с электронным блоком управления допускает как ручную, так и автоматическую настройку.
Такая система, в отличие от традиционного кондиционера, ориентирована в первую очередь на автоматическую работу, т.е. на
поддержание заданной температуры и режима работы независимо
от внешних условий. После включения автоматизированный кли
мат-контроль переходит в режим ожидания, считывает информацию
с датчиков и, если определит, что микроклимат в салоне не соответствует параметрам комфорта, заданным водителем, либо хранящимся в памяти системы характеристикам, начинает самостоятельно функционировать в соответствии с заданной программой.
Для поддержания комфортного микроклимата в салоне реализуются следующие основные функции климат-контроля: рассеивающая приточная вентиляция, прямоточная вентиляция, обогрев
стекол с автоматическим включением при их запотевании, автоматическая или принудительная рециркуляция. Прямоточная пода1
10
3
2
9
8
4
7
5
6
Рис. 16.6. Схема распределения воздушных потоков в салоне автомобиля:
1 — противопыльный фильтр; 2 — приточный вентилятор; 3 — правый теплообменник; 4 — дополнительный нагревательный элемент; 5 — дефлектор
средней консоли; 6 — задние нижние дефлекторы; 7 — левый теплообменник;
8 — испаритель; 9 — кондиционер; 10 — поток воздуха
16.1. Системы кондиционирования воздуха и климат-контроля
679
ча свежего воздуха часто вызывает ощущение дискомфорта или
сквозняка. Поэтому современные автомобили оснащаются рассеивающей системой вентиляции, которая может рассеивать воздух,
поступающий в салон через высокорасходные дефлекторы.
Пример распределения воздушных потоков в салоне легкового
автомобиля показан на рис. 16.6.
Под действием разрежения, создаваемого вентилятором, воздух проходит через противопыльный фильтр и поступает к испарителю. За испарителем воздушный поток, идущий через кондиционер, разветвляется в первый раз. Основная часть воздушного
потока проходит через теплообменники, а остальной — в обход теплообменников к заслонкам кондиционера, которые управляют
подачей холодного воздуха. Конструктивная схема с двумя параллельными теплообменниками позволяет подавать воздух раздельными потоками в правую и левую зоны салона. Температуру воздуха
в каждом из этих двух потоков определяют в основном настройки, которые
задают водитель и передний пассажир.
За теплообменниками воздушные потоки
распределяются посредством электроприводных заслонок и направляются к деф1
лекторам в разных точках салона. При
этом воздух, поступающий в салон через
2
отверстия в средних стойках кузова и че3
рез задние нижние дефлекторы, может
попутно подогреваться дополнительными нагревательными элементами.
В качестве последних широкое распространение получили нагреватели из
керамических резисторов. Такой нагреватель состоит из керамических резисторов 1, алюминиевых контактных
пластин 3 с зигзагообразными ребрами
и силиконовых профилей 2 (рис. 16.7).
Резисторы нагреваются проходящим
через них электрическим током до 160 °C.
Рис. 16.7. Резисторный
Они установлены в силиконовом профиле, который выполняет одновременно нагревательный элемент
680
Глава 16. Системы комфорта
функции изолятора, исключающего электрический контакт между
контактными пластинами. Выделяемое резисторами тепло передается контактными пластинами на зигзагообразные ребра. Резисторы обладают свойством саморегулирования их температуры.
При увеличении температуры их сопротивление возрастает, в результате чего ток уменьшается, благодаря чему предотвращается
перегрев нагревателя.
Система с электронным управлением кондиционированием
снабжена датчиками, клапанами, предохранителями.
Датчик низкого давления отключает компрессор при давлении
в системе 2 кг/см2 и включает при 2,3 кг/см2. Это необходимо для
предотвращения заклинивания компрессора, так как при снижении
давления во время аварийного сброса хладагента или его утечке
нарушается циркуляция масла.
Датчик высокого давления отключает компрессор при давлении хладагента в системе 30...34 кг/см2 и включает при 26 кг/см2.
Повышенное давление может возникнуть из-за неисправности расширительного клапана, нарушения теплообмена в конденсаторе
при снижении интенсивности проходящего через него воздушного
потока.
Датчик включения дополнительных электровентиляторов обдува конденсатора включает их при повышении давления в системе
до 19...22 кг/см2 и выключает при 14...16 кг/см2.
Датчик температуры компрессора, установленный на его корпусе, на стороне нагнетания, отключает электромагнитную муфту
при температуре 90...100 °С.
Электронное управление сервоприводов, определяющих положение заслонок, осуществляется по показаниям датчиков температуры, один из которых расположен в воздухопроводе, другой — на
панели приборов.
Комбинированные датчики могут совмещать несколько функций, их устанавливают вместо перечисленных датчиков.
Отопитель и кондиционер обеспечивают как автоматический,
так и принудительный обогрев стекол, что предотвращает их запотевание. Система управления микроклиматом непрерывно измеряет температуру лобового стекла, влажность воздуха и температуру в точке определения влажности. По результатам измерений
определяется возможность запотевания стекла. Все три параметра
16.1. Системы кондиционирования воздуха и климат-контроля
681
измеряет психрометрический датчик. Он обычно устанавливается
в основании салонного зеркала и генерирует соответствующие
сигналы.
Для измерений влажности используется тонкопленочный емкостный датчик, который работает по принципу пластинчатого
электроконденсатора (рис. 16.8).
Емкость конденсатора, т.е. его способность накапливать электрическую энергию, определяет площадь поверхности пластин,
расстояние между ними и физические свойства наполнителя (диэлектрика), разделяющего две пластины. Диэлектрик, используемый в рассматриваемом измерительном конденсаторе, способен
поглощать водяные пары. При этом изменяются его электрические свойства, а значит, и емкость конденсатора. Иными словами,
измеряя емкость конденсатора, можно получить информацию
о влажности воздуха. Электронный блок датчика преобразует измеренную электрическую емкость в сигнальное напряжение. Способность датчика накапливать в себе водяные пары зависит от
температуры. Поэтому одновременно с влажностью необходимо
определять и температуру.
а
3
б
5
4
2
1
Рис. 16.8. Принцип действия психрометрического датчика влажности:
а — без водяных паров; б — с водяными парами; 1 — сигнальное напряжение;
2 — электронный блок датчика; 3 — пластинчатый конденсатор; 4 — диэлектрик; 5 — водяные пары
682
Глава 16. Системы комфорта
а
б
6
5
4
3
2
7
1
Рис. 16.9. Принцип действия инфракрасного датчика:
а — холодное лобовое стекло; б — нагретое лобовое стекло; 1, 3 — поглощенное тепловое излучение; 2 — инфракрасный датчик; 4 — электронный блок
датчика; 5 — сигнальное напряжение; 6 — термометр; 7 — лобовое стекло
Для измерения температуры лобового стекла используются
инфракрасные датчики (рис. 16.9).
Интенсивность инфракрасного излучения, исходящего от лобового стекла, измеряет предназначенный для этого высокочувствительный датчик. Вместе с температурой стекла изменяется
и доля инфракрасных лучей в составе теплового излучения, исходящего от стекла. Датчик реагирует на такое изменение, а электронный блок датчика преобразует эту реакцию в сигнальное напряжение.
Для управления системой кондиционирования в первых управляющих системах использовались только датчики температуры
в салоне, в настоящее время появились датчики качества воздуха
(рис. 16.10), определяющие концентрацию оксидов углерода и азота
в окружающем воздухе, чтобы при необходимости система автоматически переходила в режим рециркуляции, исключая использование забортного воздуха с повышенной концентрацией токсичных компонентов.
Активной основой датчика является смесь окислов вольфрама
или олова. Эти соединения изменяют свои электрические свойства
при контакте с окисляемыми или восстанавливаемыми газами.
16.1. Системы кондиционирования воздуха и климат-контроля
а
б
683
в
2
3
1
Смесь окислов
Кислород
Окисляемый газ
Восстанавливаемый газ
Рис. 16.10. Принцип действия датчика воздуха:
а — отсутствие вредных компонентов в воздухе; б — наличие окисляемого
газа; в — наличие восстанавливаемого газа; 1 — датчик; 2 — сигнальное сопротивление; 3 — электронный блок датчика
К окисляемым газам относятся оксид углерода (CO), пары бензола и бензина, углеводороды, несгоревшие остатки топлива и продукты его неполного сгорания, к восстанавливаемым — оксиды
азота NOx. Окислению соответствует поглощение кислорода химическим элементом, а восстановлению — выделение кислорода
из химического соединения. Иными словами, окисляемые газы
стремятся поглотить кислород и соединиться с ним, восстанавливаемые, напротив, отдают кислород другим элементам или соединениям. Если находящаяся внутри датчика смесь оксидов вступает
в контакт с окисляемым газом, последний начинает поглощать из
окислов кислород. В результате изменяются электрические свойства смеси. Ее сопротивление уменьшается. Если же датчик подвергается воздействию восстанавливаемого газа, то смесь оксидов
поглощает из этого газа кислород. При этом электрические свойства смеси также изменяются, но сопротивление возрастает.
Для управления системой используются также датчики наличия пассажиров в салоне, которые дают возможность системе определять необходимый объем подаваемого воздуха. В некоторых моделях применяются фотодатчики солнечного излучения (рис. 16.11),
позволяющие вычислять интенсивность и угол падения солнечных
684
Глава 16. Системы комфорта
а
б
2
1
2
3
Рис. 16.11. Принцип действия датчика солнечного излучения:
а — направление солнечных лучей под углом спереди; б — направление солнечных лучей вертикально; 1 — фильтр; 2 — оптический элемент; 3 — фотодиод
лучей и, исходя из этой информации, обеспечивать дополнительную подачу прохладного воздуха в ту часть автомобиля, где воздействие прямых солнечных лучей оказывает особенно сильное
влияние.
Солнечный свет попадает через фильтр и оптический элемент
на фотодиод. Фильтр предназначен для предотвращения повреждения фотодиода солнечными лучами. Фотодиод изменяет силу
тока пропорционально попадающему на него потоку солнечного
света. Чем сильнее поток света, тем больше сила тока. По повышению силы тока от датчика блок управления опознает увеличение
потока солнечного света и воздействует на систему управления
кондиционированием с целью сохранения заданной температуры.
При направлении солнечных лучей под углом спереди
(рис. 16.11, а), прямо на водителя и переднего пассажира, температура в салоне повышается, при этом на светодиод попадает значительная часть светового излучения. Хладопроизводительность
системы управления кондиционированием увеличивается, компенсируя нагревающее действие солнечного света.
При направлении солнечного света вертикально солнечные лучи
задерживаются крышей автомобиля (рис. 16.11, б). В этом случае на
оптический элемент света падает меньше и он направляет меньше
света на светодиод. Хладопроизводительность системы управления кондиционированием уменьшается, поскольку пассажиры автомобиля не находятся под прямыми солнечными лучами.
Может также фиксироваться температура и влажность тел водителя и пассажиров через перфорированную обивку сидений.
16.2. Индивидуальные отопители‑подогреватели
685
16.2. Индивидуальные
отопители‑подогреватели
При хранении автомобилей в условиях низких температур применяются жидкостные или воздушные индивидуальные подогре
ватели-отопители типа Vebasto Thermo Top. Обычно они работают
на том же топливе, что и двигатель автомобиля, обеспечивая запуск двигателя, прогретый салон и свободные ото льда и снега
стекла еще до начала поездки.
Преимуществом индивидуальных подогревателей является
разогрев двигателя и салона (кабины) в любых условиях независимо от источника энергии при использовании антифриза в качестве охлаждающей жидкости.
Предпусковой подогреватель представляет собой компактный
прибор (рис. 16.12), который устанавливается, как правило, в моторном отсеке. Теплообменник подогревателя-отопителя подсоединяется к охлаждающему контуру двигателя, электронная система
управления — к бортовой сети, а система подачи топлива — к топ
ливному баку автомобиля.
В состав подогревателя-отопителя входят: дозировочный насос 13, электродвигатель 1 с вентилятором, блок управления 4,
камера сгорания 3 с жаровой трубой 7 и расположенной в корпусе
горелки свечой накаливания 5, теплообменник 8, таймер 18.
Вентилятор, приводимый во вращение электродвигателем, производит забор воздуха из салона (кабины) или извне и направляет
воздушный поток в камеру сгорания 3. Из топливного бака автомобиля с помощью дозировочного насоса 13 топливо подается
к распылителю или испарителю, расположенному рядом со свечой
накаливания, где оно смешивается с воздухом, образуя топливовоздушную смесь. Распыленное или испарившееся топливо в момент запуска подогревателя-отопителя поджигается свечой накаливания. После пуска зажигание смеси происходит в результате ее
соприкосновения с фронтом пламени.
Охлаждающая жидкость из системы охлаждения двигателя
с помощью жидкостного насоса 10 подается в подогреватель-ото
питель через входной патрубок WE. В нем она подогревается и перетекает через выходной WA патрубок в систему охлаждения двигателя.
686
Глава 16. Системы комфорта
17
18
16
+
4
5
WA
–
15
6 3 7
9
8
14
B
1
V
12
WE
2
10
A
13
11
Рис. 16.12. Подогреватель-отопитель:
1 — электродвигатель с вентилятором; 2 — индикатор пламени; 3 — камера
сгорания; 4 — электронный блок управления; 5 — свеча накаливания; 6 — датчик температуры; 7 — жаровая труба; 8 — теплообменник; 9 — датчик перегрева; 10 — жидкостный насос; 11 — глушитель отработавших газов; 12 — глушитель воздуха для сгорания; 13 — дозировочный насос; 14 — ответвление
топливопровода; 15 — жгут проводов; 16 — держатель предохранителя; 17 —
реле для включения вентилятора системы отопления автомобиля; 18 — таймер; WE — вход жидкости; WA — выход жидкости; V — воздух для сгорания;
B — топливо; A — отработавшие газы
При чрезмерном нагревании подогревателя-отопителя срабатывает датчик 9 перегрева, подача топлива при этом прекращается
и происходит аварийное выключение.
Применяемые в подогревателях-отопителях современные керамические технологии снижают нагрузки на аккумулятор. Горелка с металлокерамической прокладкой отличается особой стойкостью к перегреву и износу. Водостойкость деталей и штекерных
соединений позволяет нагревать воздух, забираемый не только из
кабины, но и извне, даже при высокой его влажности.
16.2. Индивидуальные отопители‑подогреватели
687
Подогреватель-отопитель запускается при помощи таймера, расположенного в салоне, или при помощи пульта дистанционного
управления (на расстоянии до 600...1000 м). После запуска в камеру
сгорания подогревателя поступают горючее и воздух. Их смесь во
время горения нагревает жидкость в теплообменнике. Последняя
при помощи жидкостного насоса циркулирует по системе охлаждения автомобиля, разогревая двигатель и радиатор обычного обогревателя. Подогреватель-отопитель в автоматическом режиме запускает вентилятор автомашины, продувающий теплым воздухом
радиатора весь салон.
Ход отопления контролируется автоматически: если температура в системе превосходит пороговое значение, подогревательотопитель частично снижает нагрузку, если жидкость не перестает
нагреваться, то он на время выключается. Если температура опускается ниже порогового значения, то подогреватель-отопитель
запускается снова.
Настраиваемый таймер монтируется в салоне автомашины
и располагается на приборной панели. Комфортную температуру
в салоне можно поддерживать в течение 8...10 ч подряд (например,
ночью). Таймер может быть запрограммирован на три различных
момента автоматического включения и на длительность функционирования от 1 до 120 мин. Можно также включить или отключить подогреватель непосредственно — для этого на таймере имеется специальная кнопка.
Подогреватель-отопитель может запускаться с выбором режима
и продолжительностью его работы по телефону, если автомобиль
находится в зоне покрытия сети. Подогреватель, оснащенный специальными системами либо специальным переключателем «зималето», может летом до пуска двигателя включать вентилятор автомобиля, проветривая салон еще до начала поездки.
Предпусковой прогрев двигателя позволяет заметно снизить
его износ, а также потребление топлива и расходных материалов,
общую нагрузку на аккумулятор и потери времени не только на
прогрев, но и на ремонт. Тепло в салоне повышает удобство работы
водителя и комфорт для пассажиров, улучшает реакцию.
688
Глава 16. Системы комфорта
16.3. Системы навигации
Навигационные системы GPS находят все более широкое применение в странах Западной Европы, США, Японии. Эти системы
начинают использоваться и в странах бывшего Советского Союза,
однако развитие их сдерживается главным образом из-за отсутствия карт местности.
Основные задачи системы навигации:
определение нахождения автомобиля в текущий момент;
ввод пункта назначения с определением оптимального маршрута. При выборе маршрута предлагаются три варианта: быстрый,
нормальный и короткий. Кроме того, указывается, где находятся
платные дороги и каковы особенности движения по каждому
маршруту.
Для того чтобы пользоваться GPS-навигацией, нужен как минимум GPS-приемник. Сам по себе он не более чем спутниковый
компас, знающий свои точные координаты. Чтобы связать эти координаты с конкретной цифровой картой местности, нужно более
сложное устройство, например GPS-навигатор со встроенным
GPS-приемником (рис. 16.13).
Положение GPS-приемника вычисляется на основе заранее известных координат спутников системы. Физически это выражается
в том, что исходными данными для решения задачи позиционирования являются расстояния от объекта до всех видимых им в данный момент спутников. Для упрощения допустим, что все видимые
спутники находятся на своих орбитах в неподвижном состоянии.
Обратимся к геометрии. Искомый объект находится на поверхности сферы, описанной вокруг точки местоположения сателлита
и имеющей радиус, равный расстоянию до объекта (рис. 16.14, а).
Для определения местоположения контакта с одним спутником
недостаточно. Пересечение сфер от двух спутников (рис. 16.14, б)
дает окружность — задача из трехмерной превратилась в двухмерную. Теперь известно, что приемник находится где-то на полученной окружности. Сфера, очерченная вокруг третьего видимого
спутника (рис. 16.14, в), пересекает окружность в двух точках,
одна из которых является паразитной, так как находится либо
в недрах земного шара, либо в верхних слоях атмосферы.
689
16.3. Системы навигации
Рис. 16.13. Навигатор
Оставшаяся точка и характеризует координаты приемника.
Расстояния до спутников (радиусы описанных сфер) вычисляются просто — на основе фиксации времени прохождения сигнала до
объекта и его скорости.
а
б
в
Рис. 16.14. Обнаружение объекта спутниками:
а — сфера от одного спутника; б — пересечение сфер от двух спутников; в —
пересечение сфер от трех спутников
690
Глава 16. Системы комфорта
Для определения положения спутников на орбите помимо совокупности спутников, рассредоточенных по стационарным орбитам,
существует наземный комплекс управления. В его состав входят
станции слежения, поддерживающие постоянный контакт с элементами орбитальной группировки. По полученным данным в центре управления вычисляются точные координаты искусственных
спутников, которые через станции связи передаются на летательные аппараты. При расчетах принято, что скорость распространения сигнала равна скорости света. Поэтому необходимо учесть
еще точность и синхронизацию работы часовых механизмов, которыми оснащены спутник и приемник, а также искажения, вызванные различными препятствиями на пути прохождения информационной волны. Для устранения ошибок в компьютере приемника
используются специальные алгоритмы, которые корректируют
время до тех пор, пока местоположение приемника не будет определено с заранее заданной погрешностью. Алгоритм также учитывает данные, поступившие от четвертого, пятого и других сателлитов, находящихся в «зоне видимости» приемника.
Отметим, что полноценная группировка, которая обеспечит
покрытие всей поверхности земного шара, должна включать 24 орбитальных объекта, т.е. максимальное количество видимых приемником спутников в любой точке земли — 12 единиц. Однако на
сегодняшний день количество действующих аппаратов систем навигации уже составляет 30 единиц.
Навигационная система может осуществлять навигационное
счисление, определять положение автомобиля на карте местности
по конфигурации пройденного пути, определять абсолютные координаты с помощью спутниковой системы GPS. С использованием
навигационного счисления определяют относительное положение
автомобиля и направление движения по информации, полученной
с датчиков скорости вращения колес и угла поворота.
Конфигурация участка пройденного пути, полученная с помощью навигационного счисления, сравнивается с конфигурацией
дорог, нанесенных на карту. Определив дорогу, по которой движется автомобиль, система находит и его текущие координаты. Более
точное определение координат автомобиля на карте производится
с помощью GPS по широте и долготе. Считается, что для практи-
16.3. Системы навигации
691
ческих целей достаточно знать координаты автомобиля с точностью до размера половины квартала, т.е. ±100 м.
Глобальная система навигации является основным источником информации для навигации, однако в случае получения сигнала с помехами навигационная система корректирует значения
с помощью собственной системы вычисления местоположения,
которая включает датчик угла поворота автомобиля, датчик частоты вращения колеса системы ABS, компакт-диск или другой носитель информации, блок управления навигационной системы.
Блок управления системой навигации вычисляет маршрут при
помощи сигналов, получаемых от датчика угла поворота (по этим
сигналам определяются изменения в направлении движения
(вправо/влево) и сигналов датчика частоты вращения колеса системы ABS (определяется пройденное расстояние).
Блок несколько раз в секунду сравнивает маршрут с дорожной
картой, хранящейся на носителе информации. Этот процесс сравнения называется «сопоставление с картой». Точность определения
места нахождения автомобиля с использованием собственной системы месторасположения увеличивается до 5 м в городе и до 50 м
на длинных прямых дорогах в сельской местности и шоссе. Если
автомобиль находится на дороге, информация о которой отсутствует на компакт-диске, на дисплее отображается сообщение, что
сопоставление с картой выполнить невозможно.
Работа системы навигации автомобиля происходит в такой последовательности.
1. Водитель вводит данные о пункте назначения при помощи
кнопок управления и функциональных кнопок.
2. Местоположение пункта назначения определяется с помощью карты автодорог, записанной на компакт-диске или другом
носителе информации.
3. Блок управления системы навигации использует получаемые со спутников данные и вычисляет текущее местоположение
автомобиля с точностью до ±100 м.
4. С помощью собственной системы вычисления пути местоположение автомобиля определяется с точностью до ±5 м при сопоставлении с картой, хранящейся на носителе информации.
692
Глава 16. Системы комфорта
5. Блок управления системой навигации вычисляет расстояние, направление движения и контролирует изменения в направлении движения автомобиля.
6. Затем система выдает рекомендации по прохождению маршрута в виде звуковых и визуальных сообщений.
7. Во время поездки пройденное расстояние измеряется на
основе данных, полученных от датчика частоты вращения колес
системы ABS, а изменение направления определяется датчиком
угла поворота рулевого колеса.
8. Система следит за тем, использует ли водитель предложенные варианты прохождения маршрута.
9. При отклонении автомобиля от предложенного маршрута
система сообщает об этом водителю.
10. Если водитель не меняет маршрут на рекомендованный,
система снова вычисляет расстояние до пункта назначения.
11. По достижении требуемого пункта назначения воспроизводится сообщение «Пункт назначения достигнут».
Датчик измерения пройденного пути — представляет собой
электронный спидометр или датчик частоты вращения колеса ABS,
информация от которых поступает в блок управления.
Датчик угла поворота фиксирует изменения в направлении
движения влево и вправо. При изменении направления движения
автомобиль поворачивается вокруг вертикальной оси. Датчик определяет это вращение и передает соответствующую информацию на
блок управления системы навигации. Блок управления системой
навигации вычисляет угол, на который изменилось направление
движения автомобиля.
Датчик угла поворота имеет форму камертона (рис. 16.15). Две
его ножки 5 являются деталями, совершающими колебания.
При включении зажигания на нижние пьезоэлементы 2 подается напряжение. Они начинают вибрировать. Эти вибрации передаются на обе ножки.
При изменении направления движения автомобилем (например, на повороте) на ножки датчика воздействует так называемая
сила Кориолиса (рис. 16.15, б) в течение времени, требующегося
автомобилю для прохождения поворота. В верхних пьезоэлементах 1 датчика угла поворота генерируется напряжение. Величина
напряжения зависит от изменения направления движения. При
693
16.3. Системы навигации
а
б
1
2
3
4
5
Рис. 16.15. Датчик угла
поворота системы навигации:
а — положение ножек камертона при движении по прямой;
б — положение ножек камертона при движении на повороте;
1 — верхний пьезоэлемент; 2 —
нижний пьезоэлемент; 3 — направление силы Кориолиса;
4 — направление силы вращения; 5 — ножки
повороте слева направо, например, знак величины напряжения меняется на противоположный. Под воздействием этой силы верхние
части ножек, которые уже совершают боковые колебания, сгибаются. Изгиб ножек передается на верхние пьезоэлементы, генерируя в них напряжение. Блок управления системы навигации вычисляет изменение направления движения по величине данного
напряжения.
Во время движения автомобиля по прямой линии (рис. 16.15, а)
сила Кориолиса на ножки датчика не действует. Верхние части
ножек не изгибаются и напряжение в верхних пьезоэлементах не
генерируется.
Электронные карты. В некоторых навигационных системах
картографическая информация хранится централизованно и передается на автомобиль по радиоканалу, но в большинстве случаев
навигационная система предполагает наличие необходимой базы
данных на борту автомобиля.
CD-ROM используется для хранения картографической и дорожной информации с целью сравнения конфигураций дорог
и пройденного пути, поиска оптимального маршрута, вывода карты местности на дисплей.
В матричном формате каждому элементу карты (пикселю) соответствуют свои значения декартовых координат X–Y. Матричные карты требуют много места в памяти компьютера или на носителе информации и неудобны для математических операций
при прокладке и слежении за маршрутом.
694
Глава 16. Системы комфорта
В векторном формате дороги (улицы) представляются последовательностями отрезков прямых, описанных аналитически, пересечения — узлами. Узлы идентифицируют координатами — долготой и широтой. Если дорога (улица) не прямая, в точке излома
также помещается узел. Таким образом, дороги (улицы) любой
конфигурации аппроксимируются набором векторов и узлов.
Имеющиеся карты или изображения местности, полученные
с самолетов и спутников, сканируются. Затем специальное программное обеспечение трансформирует изображение сначала в матричный, а затем в векторный формат.
Электронная карта несет такую информацию, как номера дорог, названия улиц, номера домов между перекрестками, одностороннее или двухстороннее движение на улице, названия отелей,
ресторанов и т.д.
Сенсорный переключатель на экране позволяет менять режим
вывода изображения, выбирая раздельный или полный экран со
стрелочными указателями поворотов, список поворотов или информацию о съездах с автострады (рис. 16.16).
Ориентирование на карте местности по конфигурации пройденного пути. Сначала навигационная система определяет, какие
из близлежащих дорог могут соответствовать координатам автомобиля, определенным навигационным счислением. Затем делается
Рис. 16.16. Указатели поворотов
695
16.3. Системы навигации
сравнение, выбирается наиболее подходящая дорога и корректируются координаты автомобиля по карте. Когда автомобиль достигает
перекрестка, выбор дороги определяется направлением движения.
Если дороги на перекрестке выглядят примерно одинаково, навигационный компьютер прослеживает их по карте вперед и определяет коэффициент корреляции для каждой из дорог по отношению к требуемому маршруту. Выбирается дорога с наибольшим
коэффициентом корреляции.
Навигационные системы имеют возможность выдавать информацию голосом, что позволяет воспринимать необходимые сведения, не отрываясь от дороги. В общей сложности современные системы распознают до 1500 слов.
Для подробного рассмотрения выбранный участок можно приблизить или удалить для охвата более обширной зоны. На дисплей
можно одновременно выводить две карты, одна из которых показывает более детальный ряд, а другая дает более широкий охват
(рис. 16.17). В случае необходимости имеется возможность найти
ближайший отель, ресторан, заправку, СТО, место парковки и т.д.
Для изучения маршрута следования водитель может выполнить
предварительный его просмотр.
За 500 м до приближающегося перекрестка на экран автоматически выводится увеличенная схема развязок. По мере приближения
к перекрестку будет звучать голосовое сообщение, напоминающее
Рис. 16.17. Разделение экрана
696
Глава 16. Системы комфорта
водителю о предстоящих действиях. Если водитель пропустил нужный поворот, система сама скорректирует маршрут.
В случае недостаточной информации о местонахождении пункта назначения система навигации может производить поиск по
адресу, почтовому индексу, географической широте и долготе, карте, перекресткам и въездам-съездам с автострады. В память системы может вводиться информация о местах, которые водитель желает посетить снова.
При возникновении автомобильных пробок или затрудненном
дорожном движении на пути следования выбранного маршрута
система рассчитывает и предлагает альтернативный маршрут.
При выборе маршрута предлагаются три варианта — короткий,
быстрый, экономичный (рис. 16.18). Кроме того, указывается, где
находятся платные дороги и особенности движения по каждому
маршруту.
Короткий путь (рис. 16.18, а). В этом режиме маршрут между
начальным и конечным пунктом составляется по возможности из
более коротких участков.
а
б
в
Рис. 16.18. Виды маршрутов:
а — короткий путь; б — быстрый путь; в — экономичный путь
16.3. Системы навигации
697
Быстрый путь (рис. 16.18, б). При выборе этого режима прокладывания маршрута навигационная система учитывает класс
дороги (магистраль, дорога федерального, земельного или окружного значения), ограничения скорости для этих классов дорог,
а также статистически ожидаемую среднюю скорость движения.
На основании этих данных проводится сопоставление времени
прохождения при анализе вариантов пути. Это значит, что наиболее быстрый маршрут может быть проложен в объезд затруднений на дороге.
Экономичный путь (рис. 16.18, в). При выборе этого режима
прокладывание маршрута производится в соответствии со смешанным расчетом, исходя из оценки времени движения и оценки
длин отрезков пути. В расчете маршрута оценка длин отрезков пути
имеет весовую долю 30 %, а оценка времени движения — 70 %.
Дальнейшее развитие GPS привело к созданию интеллектуальных транспортных систем (ITS — Intelligent Transportation
Systems).
Подобную систему Extended Floating Car Data-System (XFCD)
представила компания BMW.
Испытание проводилось на специальной тестовой трассе в SBC
Park и было призвано продемонстрировать возможности системы.
Например, автомобиль попадает на скользкую дорогу. За считанные секунды система обрабатывает информацию и предупреждает
в режиме реального времени следующий за ним автомобиль. Та же
информация в то же самое время передается стационарным службам движения, которые статистически обрабатывают поступающие
данные и рассылают их обратно другим участникам движения.
Система определения дорожной ситуации XFCD станет в будущем усовершенствованным последователем существующей системы Floating Car Data, что переводится как «данные с движущегося автомобиля». Уже сегодня с помощью FCD автомобили
посылают свои данные о местонахождении в определенный момент на центральный пульт движения, который сопоставляет получаемые сообщения с сообщениями других автомобилей, оснащенных FCD, с целью распознавания дорожных и внештатных
ситуаций. Система XFCD способна сама распознавать дорожную
ситуацию, анализировать все имеющиеся данные в автомобиле
и передавать обработанные данные на центральный пульт движения. Параллельно система способна через систему-коммуникатор
698
Глава 16. Системы комфорта
«Авто — Авто» предупреждать другие автомобили в зоне действия
передатчика.
XFCD функционирует на базе имеющейся навигационной системы, и ее ввод в эксплуатацию заключается лишь в загрузке программы. Введение бортовой сети позволяет синхронно задействовать целый спектр возможностей. В устроенном таким образом
современном автомобиле система получает доступ и совмещение
с множеством других информационных блоков управления. Это
ближний и дальний свет, противотуманное освещение, термометр
внешней среды и кондиционер, тормоза и навигационная система,
сенсор дождя и омыватель стекла, а также прочие не менее важные
детали. Все эти механизмы функционируют в зависимости от дорожной ситуации. Так, на понижение температуры окружающей
среды, лед или даже неожиданное появление масла на участке дороги автомобиль тут же отреагирует регулированием системы стабилизационного контроля (DSC) и скорости движения.
Еще одно неоспоримое преимущество системы XFCD заключается в возможности передачи сообщений напрямую другим автомобилям. Информация передается посредством Ad-hoc-сети всем
автомобилям в ближайших окрестностях. Каждый автомобиль
в зависимости от ситуации выполняет роль отправителя, получателя или передатчика. Преимущество зарекомендовавшей себя
технологии Multi-Hopping неоспоримо: Ad-hoc-сеть организуется
автономно, обладает необходимой дальностью радиуса действия
и не требует создания специальной инфраструктуры.
Подобные функции применяются и в системе Audi telematics.
Система информирует водителя о текущей дорожной ситуации на
том участке, по которому он в настоящий момент проезжает, обеспечивая наиболее быстрое и удобное продвижение к конечной
точке маршрута по другому более удобному маршруту. Система
помогает в максимально быстром оказании помощи в чрезвычайных ситуациях. Например, в случае аварии при раскрытии подушки
безопасности, если водитель не в состоянии позвонить по телефону,
центральный диспетчерский пункт самостоятельно информирует
полицию и службу спасения. Кроме того, система Audi telematics
по запросам водителя указывает на такие неблагоприятные обстоятельства, как гололед и туман, а также на потенциально опасных участников дорожного движения. Если в автомобиле возникла
16.3. Системы навигации
699
неисправность, водитель связывается с центром технической поддержки и его информируют о ближайшем дилерском предприятии
Audi, а при необходимости направляют к водителю автомобиль
техпомощи.
Радионавигационная система MFD (многофункциональный
дисплей) с динамическим оптимизированием маршрута. Основой
используемых сведений по условиям движения является служба
RDS-TMC (система радиоданных — канал дорожных сообщений),
которая включает в себя сеть передатчиков (пока лишь на территории Западной Европы). Для навигации автомобиля на нем установлены GPS-приемник и сенсор направления. С помощью выбранных данных и цифровой карты определяется и выводится на
дисплей положение автомобиля.
Под наблюдением находятся все дорожные сообщения в радиусе примерно 200 км. Препятствия нормальному движению (заторы,
пробки и существенное замедление транспортного потока) показываются на карте дисплея и выводятся в виде текстовых сообщений. Водителю при этом предлагается альтернативный маршрут.
ГЛАВА
17
СИСТЕМЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ
ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
Для снижения токсичности отработавших газов применяются
различные конструктивные изменения. Кроме описанных выше
конструктивных мер в современных легковых автомобилях повсеместно применяется очистка отработавших газов после их выпуска из цилиндров (нейтрализация), рециркуляция отработавших
газов, подача вторичного воздуха в цилиндры, вентиляция топливных баков, рекуперация энергии отработавших газов, использование гибридных автомобилей и др.
17.1. Нейтрализация отработавших газов
Каталитическая нейтрализация. Каталитическое действие нейтрализаторов основано на беспламенном поверхностном окислении токсичных веществ в присутствии катализатора, ускоряющего
химическую реакцию. Окисление происходит во время прохождения отработавших газов через слой носителя с нанесенным на него
катализатором, причем скорость реакции сгорания зависит oт температуры носителя. Применение каталитических нейтрализаторов
позволяет дожигать продукты неполного сгорания СН и СО и разлагать оксиды азота.
В качестве активных компонентов каталитических нейтрализаторов для СH и СО применяют благородные металлы (до 1...2 г
палладия, платины), оксиды переходных металлов (меди, кобальта, никеля, ванадия, хромата железа, марганца). Для нейтрализации могут также использоваться катализаторы на основе меди
701
17.1. Нейтрализация отработавших газов
3
2
4
5
10
1
9
8
6
7
Рис. 17.1. Общая схема системы очистки отработавших газов
бензинового двигателя:
1 — каталитический нейтрализатор; 2 — входной датчик кислорода; 3 — блок
управления двигателем; 4 — кабель шины CAN; 5 — блок управления датчиком NOx; 6 — датчик оксидов азота NOx; 7 — накопительный нейтрализатор
NOx; 8 — датчик температуры; 9 — выходной датчик кислорода; 10 — двигатель
с добавкой ванадиевого ангидрида и оксида хрома, на основе оксида железа или алюминия, на основе металлических сплавов (нержавеющая сталь, бронза, латунь, легированные стали с хромоникелем).
Общая схема системы очистки отработавших газов бензинового
двигателя показана на рис. 17.1.
Каталитический нейтрализатор с лямбда-зондом 1 (рис. 17.2)
представляет собой металлический корпус 6 из жаропрочной нержавеющей стали толщиной около 1,5 мм, внутри которого находится
керамический носитель 5. Наибольшее распространение получили
гранулированные и блочные (монолитные) носители, которые
пронизаны многочисленными мелкими сотами, создающими максимальную поверхность контакта с отработавшими газами. Чтобы
обеспечить необходимый массоперенос между отработавшими газами и каталитической поверхностью, площадь последней увеличивают путем нанесения на нее гамма-оксида алюминия с пористой
структурой в виде сферических гранул, которые укладываются
702
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
1
2
3
4
6
O+
C
C
H+
NO
2
5
Рис. 17.2. Каталитический трехкомпонентный нейтрализатор
отработавших газов
в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками 2. Гранулы из оксида алюминия покрываются непосредственно каталитическим материалом. Поверх фольги или гранул алюминия наносится тонкий слой катализаторов 4 платины и родия. Задача этих
редких металлов — ускорять окисление углеводородов и окиси
углерода до углекислого газа, а токсичные оксиды азота восстанавливать до азота. Между блоком-носителем и корпусом ставится
специальная терморасширяющаяся прокладка 3.
Альтернативой керамическому монолитному блоку является
металлический каталитический нейтрализатор. Он изготавливается из гофрированной металлической фольги толщиной 0,05 мм,
намотка и пайка которой твердым припоем осуществляются при
высокой температуре. Поверхность фольги покрывается эффективно действующим катализатором. Благодаря тонким стенкам
фольги в тех же габаритах, что и у керамического нейтрализатора,
может быть размещено большее число каналов. Это приводит к меньшему сопротивлению прохождения отработавших газов.
Нейтрализатор вступает в работу после разогрева до 300 °С.
Оптимальный рабочий диапазон температур от 400 до 800 °С. Чем
ближе нейтрализатор к двигателю, тем быстрее разогревается
до рабочей температуры. Поэтому на смену нейтрализаторам под
днищем кузова пришли нейтрализаторы, совмещенные с приемной трубой.
В целях уменьшения вибрационных нагрузок со стороны двигателя нейтрализатор присоединяется к выпускному трубопроводу
17.1. Нейтрализация отработавших газов
703
или к приемной трубе через шарнирное соединение или через компенсатор колебаний.
Для работы системы с каталитическим окислительным нейтрализатором при использовании в двигателе обогащенных смесей
необходимо к отработавшим газам добавлять воздух. Для этого используются специальные воздушные насосы или специальные клапанные устройства (виброклапаны или пульсаторы), функционирующие под действием волн разрежения, возникающих в системе
выпуска.
Наилучшую очистку отработавших газов дают двухсекционные каталитические нейтрализаторы, позволяющие после прохождения первой секции уменьшать содержание NOx, а после ввода во
вторую секцию дополнительного воздуха — содержание СО и СН.
В последнее время наиболее распространены трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, оборудованные системой обратной связи, позволяющие одновременно при восстановлении NOx
окислять СО и СН.
Предварительный (стартовый) нейтрализатор. При использовании каталитических нейтрализаторов дальнейшее снижение выброса NOx может быть получено путем применения рециркуляции, а уменьшение выброса СО — путем исключения режимов
работы на богатых смесях.
Сложнее обеспечить выполнение перспективных норм на выброс СН. В первую очередь это связано с большой эмиссией СН
на режимах пуска и прогрева. Например, двигатель с каталитическим трехкомпонентным нейтрализатором при испытаниях по
американскому циклу в течение первых 100 с выбрасывает примерно 80 % общего количества СН (за все испытание). В начале
работы двигателя каталитический нейтрализатор не работает, так
как температура в нем недостаточно высока, кроме того, двигатель
в это время работает на обогащенных смесях и в ОГ нет кислорода,
необходимого для окисления СН в нейтрализаторе.
Такие известные способы уменьшения образования СН в цилиндре, как увеличение соотношения хода поршня к диаметру
цилиндра, повышение температуры в системе охлаждения, оптимизация смесеобразования и скорости сгорания при несколько пониженной степени сжатия недостаточны для решения этой проблемы.
704
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
1
2
4
3
Рис. 17.3. Система с пламенным подогревом нейтрализатора:
1 — форсунка; 2 — нейтрализатор; 3 — свеча для поджигания;
4 — воздушный насос
Поэтому все большее значение приобретает использование
различных методов ускоренного прогрева нейтрализатора, а также
подачи воздуха в поток ОГ до нейтрализатора с помощью специального насоса с электрическим приводом.
Ускоренный прогрев нейтрализатора достигается путем его
установки ближе к двигателю, термоизоляцией системы выпуска
между выпускным клапаном и нейтрализатором, электрическим
подогревом нейтрализатора, подогревом нейтрализатора путем
сжигания перед ним топлива в горелке (рис. 17.3), уменьшением
опережения зажигания с целью увеличения температуры ОГ.
В отдельных случаях используется так называемый стартовый
нейтрализатор, который имеет меньшие размеры, чем основной,
и устанавливается перед ним или параллельно (рис. 17.4).
2
1
6
5
4
3
Рис. 17.4. Система со стартовым нейтрализатором:
1 — двигатель; 2 — стартовый нейтрализатор; 3 — глушитель; 4 — основной
нейтрализатор; 5 — кислородный датчик; 6 — заслонка
17.1. Нейтрализация отработавших газов
705
При параллельном расположении стартового нейтрализатора
во время прогрева двигателя весь поток ОГ направляется в этот
нейтрализатор, который быстро прогревается и начинает эффективно работать. Затем по мере прогрева двигателя поток ОГ специальной заслонкой направляется в основной нейтрализатор.
Накопительный нейтрализатор. При работе двигателя на гомогенной стехиометрической смеси углеводороды и оксид углерода отнимают у оксидов азота кислород, окисляясь до воды и диоксида углерода, а оксиды азота восстанавливаются до азота. При
работе двигателя на бедных смесях углеводороды и оксид углерода окисляются кислородом, содержащимся в избытке в отработавших газах, однако кислород при этом у оксидов азота не отнимается. Поэтому при работе на бедных смесях трехкомпонентный
нейтрализатор не может восстанавливать оксиды азота. Последние
проходят через трехкомпонентный нейтрализатор и направляются
в нейтрализатор накопительного типа. По конструкции он не отличается от обычного трехкомпонентного нейтрализатора.
Помимо выполнения функций трехкомпонентного нейтрализатора, он способен накапливать оксиды азота. При работе двигателя
на гомогенной стехиометрической смеси накопительный нейтрализатор работает как обычный трехкомпонентный нейтрализатор.
При работе двигателя на бедных послойной и гомогенной смесях
этот нейтрализатор не может преобразовывать оксиды азота обычным способом, но он способен их удерживать. Как только количество удержанных оксидов азота достигает предельного для данного
нейтрализатора значения, двигатель переводится на режим регенерации. Содержащаяся в топливе сера также может удерживаться
нейтрализатором, занимая место оксидов азота, с которыми она
имеет химическое родство.
Принцип действия накопительного нейтрализатора заключается в следующем. Помимо трех прослоек из платины, родия и палладия, в нем предусмотрена четвертая прослойка из оксида бария,
которая способна связывать оксиды азота при работе двигателя
на бедных смесях. Процесс связывания оксидов азота начинается
с их преобразования в диоксид азота в присутствии платины и завершается реакцией, в результате которой оксид бария переводится в нитрат бария (рис. 17.5).
706
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
Оксиды азота (NOx),
кислород (О2)
Диоксид азота (NO2)
Оксид бария
(BaO)
Платина (Pt)
Нитрат бария
(Ba(NO3)2)
Рис. 17.5. Накопление оксидов азота при коэффициенте избытка воздуха
больше единицы
Регенерация производится за счет молекул CO, которые в избытке образуются при работе двигателя на богатых смесях. Сначала
нитрат бария вновь окисляется до оксида бария с помощью оксида
углерода. В процессе этой реакции образуются также диоксид
углерода и оксид азота. В присутствии родия и платины оксиды
азота восстанавливаются до азота, а оксид углерода окисляется до
диоксида углерода (рис. 17.6).
Регенерация нейтрализатора производится, если концентрация оксидов азота в прошедших через него газах превысила определенное значение. Таким образом блок управления двигателем
«узнает» о переполнении нейтрализатора и невозможности накопления в нем оксидов азота. В результате он переводит двигатель
Диоксид углерода (СO2),
оксиды азота (NOx)
Окись углерода (СO)
Оксид углерода (СO)
Нитрат бария
(Ba(NO3)2)
Диоксид углерода (СO2),
азот (N2)
Оксид бария
(BaO)
Платина (Pt),
родий (Rh)
Рис. 17.6. Регенерация при коэффициенте избытка воздуха меньше
единицы
17.1. Нейтрализация отработавших газов
707
на режим регенерации. При этом производится переход с бедных
смесей на обогащенные, вызывающие повышенный выброс углеводородов и оксидов азота с отработавшими газами.
Для выжигания серы необходимо предпринимать особые меры,
так как она обычно содержится в виде химически стабильных
сульфатов, которые не распадаются в процессе обычной регенерации нейтрализатора NOx. Сера занимает места оксидов азота в покрытии матрицы нейтрализатора, снижая его способность к накапливанию последних и вызывая сокращение времени между процессами регенерации.
Удалить серу из нейтрализатора труднее, чем оксиды азота, так
как она устойчива к высоким температурам. При регенерации нейтрализатора от оксидов азота сера не удаляется, а накопляется.
Очистку нейтрализатора от серы нужно проводить, если снижается его способность к накоплению оксидов азота, что проявляется
в сокращении периодичности его регенерации.
Блок управления двигателем по сокращению периодов регенерации нейтрализатора получает информацию о накоплении в нем
серы, которая ограничивает способность к улавливанию оксидов
азота. Очистка нейтрализатора от серы производится при движении автомобиля со скоростями, превышающими некоторое минимальное значение, которое зависит от модели автомобиля. Цикл
регенерации длится около двух минут и начинается со следующих
операций:
двигатель переводится на гомогенную смесь;
устанавливается позднее зажигание, в результате чего температура отработавших газов повышается до значений, превышающих 650 °C.
Работа двигателя с большой частотой вращения и с большими
нагрузками автоматически приводит к выжиганию серы, так как
при этом двигатель работает на гомогенной смеси, а температура
нейтрализатора повышается до необходимого для окисления серы
уровня.
Основным недостатком каталитических нейтрализаторов является высокая стоимость. Кроме того, при их установке на автомобиле не допускается применение этилированных бензинов.
Сажевые фильтры. Снижение выброса сажевых частиц является сегодня одной из сложнейших задач в области очистки отра-
708
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
1
2
3
12
5
4
7
6
9
10
11
8
Рис. 17.7. Системы выпуска отработавших газов дизельного двигателя
с сажевым фильтром:
1 — комбинация приборов; 2 — блок управления системы непосредственного
впрыска дизельного двигателя; 3 — расходомер воздуха; 4 — дизельный двигатель; 5, 9, 10 — датчики температуры отработавших газов; 6 — турбонагнетатель; 7 — датчик кислорода; 8 — катализатор окисления; 11 — сажевый
фильтр; 12 — датчик давления
ботавших газов дизелей. Помимо мероприятий, направленных на
снижение выбросов СО, СН и NOх и образования сажи при сгорании топлива непосредственно в двигателе, особое внимание уделяется фильтрации газов на выпуске из него. Одним из эффективных способов очистки газов от сажевых частиц является их
задержание посредством специальных фильтров: с «металлической шерстью», с керамическими фильтрующими элементами,
спиральных с керамическим наполнителем и др.
Общая схема системы выпуска отработавших газов дизельного
двигателя с сажевым фильтром показана на рис. 17.7.
Наибольшее распространение нашли керамические фильтры.
Сажевый фильтр состоит из сотообразных керамических модулей
1 из карбида кремния в металлическом корпусе 2 (рис. 17.8, а).
Керамический модуль разделен на множество мелких каналов, закрытых попеременно с одной или другой стороны, которые создают лабиринт. Тем самым образуются впускные 6 и выпускные каналы 4, разделенные стенками фильтра 5 (рис. 17.8, б).
Стенки фильтра из карбида кремния имеют поры и покрыты
слоем из оксида алюминия и окиси церия. На этот слой напылен
драгоценный металл платина, который и служит катализатором.
Покрытие из окиси церия в сажевом фильтре снижает температуру
709
17.1. Нейтрализация отработавших газов
б
а
3
4
1
5
6
2
Рис. 17.8. Керамический сажевый фильтр (а) и принцип его действия (б):
1 — сотообразные керамические модули; 2 — металлический корпус; 3 — частицы сажи; 4 — выпускной канал; 5 — фильтр; 6 — впускной канал
воспламенения сажи и ускоряет термическую реакцию с кислородом.
По сравнению с каталитическим нейтрализатором со свободным проходом отработавших газов в сажевом фильтре каналы установлены с чередованием открытых и закрытых концов. Так как
каналы фильтра закрыты попеременно со стороны впуска и выпуска, газы, содержащие частицы сажи, вынуждены проходить через пористые стенки из карбида кремния. При этом частицы сажи
задерживаются во впускных каналах, а газ свободно проходит через
поры стенок каналов. В зависимости от пористости керамического
тела эти фильтры могут задерживать от 70 до 90 % твердых частиц.
Для нормальной работы при длительных условиях эксплуатации сажевые фильтры должны подвергаться регенерации через
определенные промежутки времени, при этом осуществляется дожигание сажевых частиц. Частицы сажи, участвующие в реакции
с двуокисью азота, превращаются в углекислый газ.
Процесс регенерации сажевого фильтра с каталитическим покрытием разделяют на пассивную и активную регенерацию. Пассивная регенерация осуществляется при высоких температурах рабочего процесса двигателя порядка 350...500 °C. Для осуществления
пассивной регенерации в топливо добавляются специальные присадки, уменьшающие температуру воспламеняемости сажевых частиц отработавших газов.
При небольших нагрузках на двигатель температура отработавших газов слишком низка для пассивной регенерации. Сгорание сажевых частиц становится невозможным, поэтому происходит их скопление в фильтре. В таком случае применяется активная
710
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
регенерация. Активная регенерация осуществляется с помощью
нагревательного элемента или системы управления двигателя, повышающих температуру отработавших газов приблизительно до
600...700 °С. В этом температурном диапазоне скопившаяся сажа
окисляется в фильтре до углекислого газа. Процесс регенерации
длится примерно 10...15 мин.
При регенерации с помощью системы управления двигателя
в систему выпуска подается воздух, рециркуляция отработавших
газов отключается, чтобы увеличить температуру сгорания и долю
кислорода в камере сгорания. Кроме того, для увеличения температуры сгорания производятся дополнительные впрыски, причем
основная фаза впрыска происходит с запаздыванием. Топливо, подаваемое в цилиндры двигателя, не сгорает, а испаряется в камере
сгорания. Несгоревшее топливо горит в катализаторе окисления.
Вырабатываемая при этом теплота обеспечивает повышение температуры отработавших газов перед сажевым фильтром до температуры сгорания сажевых частиц.
Для расчета дополнительно впрыскиваемого количества топлива блок управления двигателя использует сигналы датчиков
температуры отработавших газов.
Необходимость регенерации определяется датчиком давления
(рис. 17.9).
У датчика перепада давления предусмотрены два штуцера: один
из них соединен с трубкой для измерения давления перед сажевым фильтром, а другой — после него. Внутри датчика находится
мембрана с пьезоэлементами, на которую действует разность давлений.
а
б
Пьезо
элементы
Рис. 17.9. Датчик перепада давления:
а — фильтр не загрязнен; б — фильтр загрязнен
17.1. Нейтрализация отработавших газов
711
Если фильтр не загрязнен, давления перед ним и после него
практически равны. При этом мембрана с пьезоэлементами находится в исходном положении (рис. 17.9, а). В случае загрязнения
фильтра сажей сопротивление фильтра давлению ОГ перед фильтром увеличивается. Давление ОГ после фильтра практически не
изменяется. Мембрана прогибается в соответствии с действующей
на нее разностью давлений (рис. 17.9, б). Деформация мембраны
влечет за собой изменение омического сопротивления включенных по мостовой схеме пьезоэлементов. Выходное напряжение
моста усиливается и преобразуется в электронной схеме датчика,
сигнал с которой поступает в блок управления двигателем. По величине этого сигнала блок управления определяет степень заполнения фильтра сажей и при необходимости вырабатывает команду
на его регенерацию.
Селективное каталитическое восстановление. В процессе очистки по принципу SCR (Selective Catalytic Reduction, т.е. селективное каталитическое восстановление) в ОГ добавляется восстановитель, например раствор мочевины с концентрацией 32,5 % по
массе.
В данной технологии очистки ОГ целенаправленно снижается
только содержание оксидов азота. Содержащиеся в ОГ оксиды
азота (NOx) в катализаторе восстановления превращаются в азот
(N2) и воду (H2O). Для этого в поток отработавших газов перед
катализатором непрерывно впрыскивается восстановитель (мочевина). Аммиак в чистом виде раздражает кожу и слизистые оболочки и, кроме того, имеет крайне неприятный запах, поэтому необходимый для восстановления оксидов азота аммиак применяется
не в чистом виде, а в виде водного 32,5%-го раствора мочевины,
которому автомобильная промышленность дала наименование
adblue. Данная концентрация мочевины имеет наибольшую точку
замерзания, равную –11 °C. Для снижения температуры замерзания в раствор добавляют большее количество мочевины.
Принцип действия системы нейтрализации SCR (рис. 17.10)
заключается в следующем. При нагреве примерно до 200 °C выходной датчик NOx 22 достигает рабочей температуры. Блок управления
двигателем 2 получает данные о температуре ОГ перед восстановительным катализатором от датчика температуры ОГ 28. При достижении рабочей температуры мочевина забирается включаемым
712
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
в работу насосом 9 из бака 17 и под давлением 5 кгс/см2 прокачивается через обогреваемый трубопровод 27 мочевины к форсунке
мочевины 26. Форсунка мочевины управляется блоком управления двигателем 2 и впрыскивает мочевину в дозируемом количестве в трубопровод системы выпуска ОГ. Впрыснутая мочевина
подхватывается потоком ОГ и равномерно распределяется микшером 25 в отработавших газах.
2
3
7 8
9
1
10
11
6
5
12
14
4
19
13
15
18
16
17
21
27
28
26
20
24
22
25
31
30
29
23
Рис. 17.10. Схема системы очистки ОГ дизельных двигателей по принципу SCR:
1 — двигатель; 2 — блок управления двигателем; 3 — блок управления системы подогрева мочевины; 4 — модуль оценки уровня мочевины; 5 — спираль
нагревательного элемента; 6 — нагревательный элемент трубопровода мочевины; 7 — нагревательный элемент насоса мочевины; 8 — клапан обратной
перекачки мочевины; 9 — насос мочевины; 10 — фильтр; 11 — дроссель; 12 —
патрубок заливной горловины; 13 — обратная магистраль; 14 — датчик давления системы дозирования мочевины; 15 — датчик уровня мочевины; 16 — нагревательный элемент бака мочевины; 17 — бак с раствором мочевины;
18 — фильтр; 19 — датчик температуры мочевины; 20 — стакан подогревателя:
21 — блок управления датчика 2 NOx; 22 — выходной датчик NOx; 23 — восстановительный катализатор; 24 — входной датчик NOx; 25 — микшер; 26 —
форсунка мочевины; 27 — трубопровод мочевины; 28 — датчик температуры
ОГ; 29 — сажевый фильтр; 30 — окислительный катализатор; 31 — турбонагнетатель
17.1. Нейтрализация отработавших газов
713
Процесс восстановления соотношения оксидов NO и NO2 в отработавших газах начинается в окислительном катализаторе 30,
покрытие которого адаптировано под систему нейтрализации SCR:
NO + NO2 → NO2.
На участке к восстановительному катализатору 23, так называемом гидролизном участке, мочевина распадается на аммиак
(NH3) и углекислый газ (CO2). Гидролизный участок находится
между форсункой мочевины и восстановительным катализатором.
Там из восстановителя (водного раствора мочевины) образуется
необходимый для восстановления оксидов азота аммиак (NH3).
Это происходит в результате реакции термолиза и гидролиза
впрыснутой мочевины. Когда мочевина впрыскивается в поток горячих ОГ, вначале испаряется вода. При термолизе (химическая
реакция, при которой в результате нагревания исходное вещество
распадается на несколько веществ) восстановитель (водный раствор мочевины CO(NH2)2) распадается на аммиак NH3 и изоциановую кислоту HNCO:
CO(NH2)2 → NH3 + HNCO.
За этим следует реакция гидролиза (распад химического соединения в результате реакции с водой), при которой изоциановая
кислота реагирует с содержащейся в ОГ водой. При этом возникает
еще одна молекула аммиака и углекислый газ:
HNCO + H2O → NH3 + CO2.
В восстановительном катализаторе 23 происходит восстановление оксидов азота:
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O.
Это означает, что в процессе восстановления оксид азота (NOx)
отдает молекулы кислорода или, другими словами, у оксида азота
забираются молекулы кислорода, при этом оксиды азота (NO + NO2)
вступают в реакцию с аммиаком (NH3) с образованием азота (N2)
и воды (H2O).
После процесса восстановления в отработавших газах содержатся углекислый газ, вода, кислород, азот.
714
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
Мочевина всасывается насосом мочевины из так называемого
стакана подогревателя через всасывающую трубу и фильтр 18.
Подогрев мочевины в стакане подогревателя нагревательным элементом 16 обеспечивает работу системы SCR и при низких температурах окружающей среды. Возвращающаяся от насоса мочевина
по наружной стороне всасывающей трубы стекает обратно в стакан подогревателя. Через переливные щели мочевина попадает из
бака в стакан подогревателя. При низких температурах благодаря
выплескиванию мочевины из стакана подогревателя замерзшая
в баке мочевина оттаивает.
Насос 9 мочевины мембранный. Его привод осуществляется
бесщеточным двигателем постоянного тока. Насос мочевины интегрирован в корпус модуля подачи мочевины и управляется блоком
управления двигателем. Датчик давления системы дозирования 14
мочевины определяет фактическое давление подачи мочевины и передает сигнал напряжения блоку управления двигателем.
Клапан обратной перекачки 8 мочевины представляет собой
четырехходовой двухпозиционный клапан. При отключении дизельного двигателя клапан обратной перекачки мочевины переключает направление подачи мочевины. Вследствие этого мочевина из
трубопровода подачи мочевины возвращается в бак мочевины. Эта
профилактическая мера позволяет предупредить замерзание мочевины в трубопроводе подачи мочевины и форсунке мочевины при
низких температурах.
Датчик уровня мочевины 15 определяет уровень наполнения
бака и предупреждает о необходимости дозаправки мочевины.
Из-за опасности замерзания мочевины при низких температурах бак с мочевиной, насос мочевины и трубопровод к форсунке
оснащены нагревательными элементами, которые управляются
блоком 3. По данным датчика наружной температуры и датчика
температуры мочевины 19 блок управления двигателем 2 распознает необходимость подогрева мочевины. После этого он передает управляющий сигнал блоку системы подогрева 3 мочевины,
который включает питание нагревательных элементов.
Нагревательные элементы 16 и 7 соответственно бака мочевины и насоса мочевины представляют собой нагревательные элементы с положительным температурным коэффициентом. Резисторы элементов в холодном состоянии обладают максимальной
715
17.1. Нейтрализация отработавших газов
проводимостью. Нагревательный элемент 6 трубопровода мочевины
представляет собой проволочное сопротивление из нержавеющей
стали. Проволочное сопротивление навито на трубопровод подачи
мочевины по спирали и защищено снаружи с помощью трубы из
пластика. Подогрев трубопровода 27 подачи мочевины управляется блоком управления двигателем через блок управления системы
подогрева мочевины. При низкой наружной температуре, если температура окружающей среды ниже -5 °C, блок управления системы
подогрева мочевины включает ток нагрева для спирали 5 нагревательного элемента трубопровода мочевины.
Датчик температуры мочевины 19 представляет собой датчик
с отрицательным температурным коэффициентом. Блок управления двигателем использует сигнал этого датчика для включения
подогрева бака и насоса мочевины.
Форсунка (рис. 17.11, а) дозирует подачу мочевины в поток отработавших газов. Управление форсункой осуществляет блок управления двигателем с помощью сигнала с широтно-импульсной модуляцией.
Мочевина в форсунке находится под давлением, создаваемым
насосом мочевины. В положении покоя игла форсунки 6 перекрывает выходное отверстие за счет усилия пружины форсунки 7. Для
впрыска мочевины блок управления двигателя посылает управляющий сигнал на катушку электромагнита 3. При этом возникает
а
2
3
4
б
1
5
8
7
6
Рис. 17.11. Форсунка мочевины (а) и микшер (б):
1 — подача мочевины; 2 — электрический разъем; 3 — катушка электромагнита; 4 — ребра охлаждения; 5 — распылитель с тремя отверстиями; 6 — игла
форсунки; 7 — пружина форсунки; 8 — штуцер подключения трубопровода
мочевины
716
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
магнитное поле, которое вытягивает якорь и иглу форсунки, производя впрыск мочевины в поток отработавших газов. Если управляющий сигнал на электромагнитную катушку не подается, магнитное поле исчезает, игла форсунки перекрывает отверстия распылителя 5 под действием пружины форсунки.
Для более качественного распыления мочевины в системах
очистки ОГ дизельных двигателей по принципу SCR применяется
микшер (рис. 17.11, б). Положение пластинчатого микшера выбрано так, что конус распыла впрыснутой мочевины по возможности
полностью попадает на отражающую поверхность.
При соударении с отражающей поверхностью пластин микшера
распыленные капли мочевины дробятся, а геометрическая форма
микшера придает потоку ОГ вращательное движение. Впрыснутая
мочевина в результате этого быстрее испаряется и переходит в газообразное состояние. Кроме того, исключается попадание крупных капель распыленной мочевины на восстановительный катализатор.
Нейтрализаторы, работающие по принципу SCR, применяются
как на легковых, так и грузовых автомобилях. Благодаря высокой
степени снижения NOx (до 90 % в европейском ездовом тестовом
цикле для грузовых автомобилей) возможна регулировка двигателя, оптимальная по расходу топлива. Таким образом, с этой системой можно сэкономить до 10 % топлива.
На автомобилях, оборудованных нейтрализаторами, следует
соблюдать определенные меры безопасности их эксплуатации.
Для обеспечения эффективной работы нейтрализатора необходимо
использовать только качественное неэтилированное топливо, так
как содержащийся в бензине тетраэтилсвинец необратимо обволакивает поверхность, покрытую слоем редкоземельных элементов.
Во время и после работы двигателя корпус нейтрализатора
имеет достаточно высокую температуру. В связи с этим во избежание пожара не следует парковать автомобиль над легковоспламеняющимися предметами, например сухими листьями, травой, бумагой и т.д.
При эксплуатации автомобиля следует соблюдать условия, при
которых в нейтрализатор не должно попасть значительное количество несгоревшего топлива, что приводит к его вспышкам и даль-
17.2. Рециркуляция отработавших газов
717
нейшему разрушению нейтрализатора. К общим рекомендациям
можно отнести следующие:
не следует длительное время пользоваться стартером;
в холодное время года, если двигатель не запустился с первой попытки, необходимо избегать повторных включений стартера через короткие промежутки времени;
нельзя запускать двигатель путем буксировки;
запрещается проверять работу цилиндров, отключая свечи
зажигания.
17.2. Рециркуляция отработавших газов
Рециркуляция отработавших газов заключается в перепуске
части их во впускную систему двигателя и последующем возврате
в камеры сгорания. Так как ОГ после процесса сгорания содержат
очень мало кислорода, максимальные температура и давление при
сгорании топлива снижаются. В результате этого уменьшается выброс оксидов азота NOx.
Эффект рециркуляции, снижающий уровень эмиссии NOx,
основывается на трех составляющих:
снижении концентрации кислорода в камере сгорания;
сокращении расхода ОГ;
снижении температуры в цилиндре благодаря более высокой теплоемкости инертных газов, которые не участвуют в реакции (например, СО2).
Количество отработавших газов, участвовавших в рециркуляции, может достигать 20...50 % общего расхода, при этом содержание
оксидов азота снижается на 60 %. Повышение выбросов углеводородов и рост расхода топлива при увеличении неравномерности
работы двигателя накладывают ограничения на верхний предел
степени рециркуляции отработавших газов. Система рециркуляции выключается при работе двигателя на холостом ходу, потому
что образование окислов азота на этом режиме незначительно. На
режимах полных нагрузок или близких к ним рециркуляция осуществляется непродолжительное время, в режиме частичных нагрузок — более длительное время и эффективность действия системы в этом случае наивысшая.
718
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
Рециркуляция подразделяется на внутреннюю и внешнюю.
При внутренней рециркуляции отработавших газов количество остаточных газов в цилиндрах двигателя регулируется перестановкой по фазе впускных и выпускных валов (см. 2.2.2. Системы изменения фаз газораспределения). Это создает условия для
поступления отработавших газов из выпускных во впускные каналы во время перекрытия фаз газораспределения (т.е. в период одновременного открытия впускного и выпускного клапанов). При
этом количество рециркулируемых газов зависит главным образом от продолжительности перекрытия фаз. Для этого впускные
клапаны должны открываться задолго до ВМТ, а выпускные — закрываться непосредственно перед ВМТ. В результате оба клапана
остаются открытыми одновременно и отработавшие газы перетекают во впускные каналы. К преимуществам внутренней рециркуляции отработавших газов по сравнению с внешней относятся
ускоренная реакция системы и повышенная равномерность распределения рециркулируемых газов по цилиндрам.
Принцип работы системы внешней рециркуляции отработавших газов (рис. 17.12) основан на перепуске части ОГ во впускной
трубопровод. После этого они, смешиваясь с воздухом или топливовоздушной смесью, повторно участвуют в горении. Определенная часть ОГ, пройдя клапан 3 рециркуляции, разбавляет свежую
топливовоздушную смесь или воздух. Управление клапаном рециркуляции осуществляется с помощью электронного блока 4 управления двигателем, как правило, общего с системой питания, ABS
и т.д.
Количество рециркулируемых ОГ зависит от частоты вращения двигателя, количества впрыскиваемого топлива, объема всасываемого воздуха, температуры и давления всасываемого воздуха.
Блок управления двигателем с помощью измерителя расхода
определяет поступающую в цилиндры массу воздуха и рассчитывает соответствующее ее величине давление во впускном трубопроводе. При рециркуляции ОГ их масса добавляется к массе свежего воздуха и соответственно повышается давление во впускном
трубопроводе. Датчик давления во впускном трубопроводе реагирует на это изменением напряжения на его выходе, которое передается на вход блока управления двигателем. По величине этого
сигнала определяется суммарное количество воздуха и ОГ, посту-
719
17.2. Рециркуляция отработавших газов
1
2
4
3
7
6
5
8
9
10
11
Рис. 17.12. Схема рециркуляции отработавших газов дизельного двигателя:
1 — всасываемый воздух; 2 — заслонка впускного коллектора с датчиком положения заслонки и двигателем; 3 — клапан рециркуляции ОГ; 4 — блок
управления двигателем; 5 — подводящая магистраль ОГ; 6 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 7 — лямбда-зонд; 8 — выпускной коллектор;
9 — турбонагнетатель; 10 — радиатор охлаждения ОГ; 11 — переключающий
клапан радиатора рециркуляции
пающих в цилиндры двигателя. Количество перепускаемых ОГ
определяется вычитанием количества свежего воздуха из суммарной величины.
В магистрали ОГ перед сажевым фильтром расположен широкополосный лямбда-зонд 7, сигнал которого используется в качестве корректирующей величины для регулировки количества рециркулируемых ОГ. Если доля кислорода в ОГ отличается от
заданного параметра характеристики рециркуляции ОГ, то блок 4
720
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
4
3
Рис. 17.13. Комплектация
клапана рецеркуляции:
2
ОГ
от двигателя
1
К воздушному
фильтру
(выравнивание
давления)
1 — клапан рециркуляции; 2 — обмотка; 3 — якорь; 4 — потенциометр
К впускному
коллектору
управления двигателем посылает сигнал управления на клапан 3
рециркуляции и, соответственно, изменяет количество рециркулируемых ОГ.
В обесточенном состоянии клапан рециркуляции ОГ 1 (рис. 17.13)
перекрывает подачу ОГ во впускной коллектор. Он включается,
когда охлаждающая жидкость нагревается до 35 °C. При подаче
сигнала управления клапан открывается на некоторую величину,
определяемую блоком управления.
Потенциометр 4 системы рециркуляции ОГ передает блоку
управления двигателя информацию о проходном сечении клапана
рециркуляции. Это необходимо для регулировки напряжения обмотки клапана в соответствии с параметрическим полем.
Для выравнивания давления в клапане во время фазы регулировки предусмотрено его непосредственное соединение с атмосферой через воздушный фильтр.
Радиатор 10 (см. рис. 17.12) системы рециркуляции ОГ охлаждает рециркулируемые ОГ. Благодаря этому происходит дополнительное снижение температуры сгорания и обеспечивается возможность рециркуляции большего количества ОГ.
Однако независимое от теплового состояния двигателя охлаждение рециркулируемых газов приводит к повышенному выбросу
углеводородов и оксида углерода. Поэтому в системе рециркуляции
17.3. Система вентиляции топливного бака
721
применяют переключающий клапан радиатора рециркуляции 11
(см. рис. 17.12), который в зависимости от температуры охлаждающей жидкости (обычно ниже 50 °С) направляет отработавшие
газы к радиатору или в обход его.
17.3. Система вентиляции
топливного бака
Наибольшее количество топливных испарений идет от топливного бака. Показатели топливных потерь из бензобаков в значительной степени обусловлены конструктивными факторами, которые
определяют температуру топлива в баке, свободную поверхность
испарения, ограничение перемешивания топлива при движении
автомобиля. Поэтому для снижения топливных потерь из бензобаков автомобилей по возможности следует устранить нагрев баков
от выпускной системы автомобиля, а также от солнечных лучей.
Хорошие результаты дают термоизоляция баков, уменьшение отношения площади поверхности испарения топлива к объему бака,
устройство в баке перегородок, уменьшающих возможность перемешивания топлива.
Для улавливания топливных испарений из топливного бака
разработаны специальные системы, которые не ухудшают мощностных, экономических и токсических характеристик автомобилей (рис. 17.14).
Основными входными сигналами, поступающими на блок управления двигателем для регулирования системы вентиляции топливного бака, являются:
частота вращения коленчатого вала;
сигнал измерителя массового расхода воздуха, соответствующий нагрузке двигателя;
температура двигателя;
сигналы датчиков кислорода;
сигналы с блоков управления дроссельными заслонками.
Пары топлива удерживаются в адсорбере (рис. 17.15). Он представляет собой емкость с подсоединенными патрубками, заполняемую поверхностно-активным веществом — адсорбентом. Адсор-
722
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
4
5
6
3
2
1
11
8
10
7
9
Рис. 17.14. Схема системы улавливания топливных испарений:
1 — блок управления двигателем; 2 — топливный бак; 3 — адсорбер с активированным углем; 4 — электромагнитный клапан продувки адсорбера; 5 —
форсунка впрыска; 6 — впускной трубопровод; 7 — датчик частоты вращения
коленчатого вала; 8 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 9 — блок
управления дроссельной заслонкой; 10 — датчики кислорода; 11 — измеритель массового расхода воздуха с датчиком температуры воздуха на впуске
в двигатель
бенты, помимо высокой поглощающей способности, должны отличаться стабильными характеристиками при изменении температуры
окружающей среды, эффективной десорбцией (освобождением накопленных паров) и стабильностью при многократном повторении циклов адсорбция-десорбция, невосприимчивостью к атмосферной влаге, высокой механической прочностью во избежание их
истирания в процессе эксплуатации автомобиля. Наиболее при-
723
17.4. Система подачи добавочного воздуха
емлемым адсорбентом является активированный уголь АГ-3, получаемый из каменного угля и полукокса.
После обработки входных сигналов блок управления двигателем выдает команду на открытие электромагнитного клапана 4 (см. рис. 17.14)
В результате накопленные в адсорбере
пары топлива отводятся во впускной
трубопровод 6 двигателя и затем сжигаются в его цилиндрах. При этом
кратковременно изменяется соотношение топлива и воздуха в смеси. Это
изменение смеси регистрируется датчиками 10 кислорода, по сигналам
которых система регулирования производит необходимую ее коррекцию.
1
2
Рис. 17.15. Адсорбер:
1 — активированный уголь;
2 — воздухонепроницаемая перегородка
17.4. Система подачи добавочного
воздуха
Токсичные продукты неполного сгорания топлива в цилиндрах
двигателя на отдельных режимах его работы можно нейтрализовать в выпускном трубопроводе путем дожигания с помощью подачи добавочного воздуха. Система подачи добавочного воздуха
(рис. 17.16) обеспечивает снижение выброса токсичных веществ
с ОГ после пуска холодного двигателя. При прогреве двигателя ОГ
содержат повышенное количество несгоревших углеводородов.
Непрогретый нейтрализатор не способен их переработать, так как
его температура еще не достигла рабочих значений. Подача добавочного воздуха в выпускной трубопровод как можно ближе
к тарелке выпускного клапана обогащает ОГ кислородом. В результате этого создаются условия для дожигания их несгоревших
компонентов. Выделяющееся при этом тепло ускоряет разогрев
нейтрализатора до рабочих температур.
724
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
Подача добавочного воздуха является дополнительной мерой
снижения токсичности ОГ и входит в комплекс общих мер снижения токсичности ОГ.
3
2
4
6
5
9
1
7
8
10
11
13
12
10
13
11
12
Рис. 17.16. Схема системы подачи добавочного воздуха:
1 — блок управления двигателем; 2 — измеритель массового расхода воздуха
с датчиком температуры воздуха на впуске в двигатель; 3 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 4 — датчик частоты вращения коленчатого вала;
5 — реле насоса добавочного воздуха; 6 — клапан управления подачей добавочного воздуха; 7 — насос добавочного воздуха; 8 — комбинированный клапан; 9 — подача добавочного воздуха; 10 — нейтрализатор; 11 — датчик кислорода, устанавливаемый перед нейтрализатором; 12 — выпуск отработавших
газов; 13 — датчик кислорода, устанавливаемый после нейтрализатора
17.5. Рекуперация энергии отработавших газов
725
Основными входными сигналами, поступающими на блок управления двигателем, являются:
сигналы датчиков 13 кислорода, установленных после нейтрализатора (сигналы датчиков 11, установленных перед нейтрализаторами, используются только для диагностики системы);
температура охлаждающей жидкости;
сигналы измерителя массового расхода воздуха, соответст
вующие нагрузке двигателя.
В соответствии с поступающими на вход сигналами блок управления двигателем вырабатывает команды на включение насоса 7
добавочного воздуха через реле 5 и открытие электромагнитного
клапана 6 управления подачей дополнительного воздуха. Распространяющееся через клапан управления разрежение приводит
в действие комбинированный клапан 8, через который производится кратковременная подача насосом воздуха в поток отработавших
газов за выпускными клапанами. Помимо этого, комбинированные клапаны предотвращают проникновение горячих ОГ в насосы
добавочного воздуха.
Система подачи добавочного воздуха отключается при увеличении нагрузки двигателя.
17.5. Рекуперация энергии
отработавших газов
Отработавшие газы автомобиля содержат немало энергии, которая обычно может применяться для привода турбины наддува,
остальная часть нагретых газов не используется.
Для использования энергии отработавших газов фирма BMW
разработала вариант двигателя, в котором газы нагревают воду,
превращая ее в пар, который затем с помощью паровой машины
подкручивает коленчатый вал ДВС.
В другом варианте энергия тепла отработавших газов используется для получения электрической энергии и питания многочисленных потребителей на борту, разгрузив штатный генератор.
Можно отметить, что в современных автомобилях ради 1 кВт ⋅ ч
электроэнергии приходится сжигать бензина на 6 кВт ⋅ ч.
726
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
1
2
Рис. 17.17. Система рекуперации отработавших газов:
3
1 — выхлопная труба; 2 — термоэлектрогенератор; 3 — подвод
охлаждающей жидкости
В этом варианте рядом с выхлопной трубой размещается термоэлектрогенератор (термопара) (рис. 17.17) на основе теллурида
висмута, преобразующий разницу температуры охлаждающей жидкости и отработавших газов в ток. При габаритах 300 × 100 мм он
выдает около 600 Вт мощности. Работает термоэлектрогенератор
при больших скоростях движения автомобиля, когда отработавшие газы имеют высокую температуру.
17.6. Система стоп-старт
Двигатель, не работающий на остановках перед светофором,
позволяет экономить примерно 9 % топлива при эксплуатации
в городском цикле крупного города, а также снизить загрязнение
окружающей среды. Во время остановок при определенных условиях двигатель может самостоятельно выключаться и вновь включаться по желанию водителя. Примером такой системы является
система стоп-старт (MSS) фирмы Volkswagen (рис. 17.18).
Система стоп-старт двигателя включается при работающем
двигателе при помощи главного выключателя системы стоп-старт
и остается активированной лишь в только в том случае, если в течение короткого времени после трогания с места автомобиль двигался со скоростью более 5 км/ч.
Для автоматического отключения двигателя необходимо в течение как минимум 2 с выполнение следующих условий:
автомобиль неподвижен, информация передается с блока
управления ABS через датчики частоты вращения колес;
727
17.6. Система стоп-старт
8
7
6
Запуск двигателя
5
9
MSS
4
3
2
1
Рис. 17.18. Схема управления системой стоп-старт:
1 — сигнал от датчика скорости; 2 — сигнал от датчика выключателя нейтрального положения коробки передач; 3 — сигнал от датчика температуры
охлаждающей жидкости; 4 — сигнал от первого датчика сцепления; 5 — сигнал от второго датчика сцепления; 6 — сигнал от датчика частоты вращения
коленчатого вала двигателя; 7 — главный выключатель системы стоп-старт;
8 — электронный блок управления двигателем; 9 — щиток приборов
двигатель работает на минимальной частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу, информация передается с датчика
частоты вращения двигателя 6;
КПП переключена на нейтральное положение, информация
передается с выключателя нейтрального положения 2;
педаль сцепления не задействована, информация передается
с датчика педали сцепления;
температура охлаждающей жидкости находится в пределах
между 40 и 100 °C, информация передается с датчика температуры
охлаждающей жидкости 3.
728
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
Контрольная лампа MMS на щитке приборов 9 мигает, если
задействован выключатель MSS, автомобиль неподвижен, но либо
включена передача, либо нажато сцепление.
Двигатель автоматически включается при выполнении следующих условий:
зажигание включено;
КПП переключена на холостой ход, информация передается
с датчика нейтрального положения 2;
педаль сцепления задействована, информация передается
с датчика сцепления;
если блок управления двигателя зафиксирует движение автомобиля, например, на уклоне при отпущенных тормозах.
Если после автоматического выключения двигателя была включена передача, то для автоматического запуска педаль сцепления
должна быть нажата до упора. При выключенном зажигании система стоп-старт двигателя деактивируется.
В системах стоп-старт может применяться рекуперация электроэнергии. При замедлении и торможении автомобиля напряжение генератора возрастает, что используется для дополнительной
зарядки АКБ.
Для системы стоп-старт очень важной является информация
о том, достаточно ли напряжения АКБ для повторного запуска —
прогнозирование напряжения пуска. На основании прогнозирования принимается решение, может ли быть осуществлен надежный
запуск двигателя или для увеличения пускового тока необходимо
отключить некоторые потребители электроэнергии (например, обогрев сидений, заднего стекла, зеркал, рулевого колеса и дополнительный отопитель). В случае необходимости питание этих устройств
отключается перед повторным стартом и на время запуска двигателя блокируется.
Вместо обычных свинцовых АКБ в автомобилях с системой
стоп-старт в качестве стартерной батареи применяются только АКБ
со стекловолокнистым наполнением или гелиевые АКБ, потому
что они способны выдержать большее число циклов заряда-раз
ряда. Кроме того, в применяемых стартерах приняты меры по повышению их стойкости к увеличенной частоте циклов запуска
и повышена прочность зубчатого зацепления.
729
17.6. Система стоп-старт
Частые запуски и остановки двигателя при высоком пусковом
токе системы могут вызвать колебания напряжения питания других
потребителей электроэнергии в автомобиле, что приводит к перезапуску отдельных устройств и регистрации ошибок типа «напряжение бортовой сети, слишком низкий уровень» в различных блоках управления. Чтобы избежать этого, в электрооборудовании
системы стоп-старт применяют стабилизатор напряжения для стабилизации напряжения бортовой сети автомобиля на уровне 12 В.
Если стабилизатор напряжения неисправен, то в электрооборудовании, например в магнитоле, радионавигационной системе, комбинации приборов или телефоне, при падении уровня напряжения,
вызванном работой стартера, произойдет перезагрузка.
Стабилизатор напряжения (рис. 17.19) представляет собой
преобразователь постоянного тока. Его центральным элементом
а
3
6
4
2
5
10
9
8
7
1
б
12
11
Рис. 17.19. Стабилизатор напряжения:
а — зажигание включено, стартер не работает; б — зажигание включено, стартер работает; 1 — стартер; 2 — блок управления бортовой сети; 3 — ключ зажигания; 4 — клемма № 15; 5 — электрический накопитель; 6 — клемма № 30;
7 — подача питания на приборную панель; 8 — условное изображение переключателя; 9 — транзистор; 10 — корпус стабилизатора; 11 — клемма 50R;
12 — клемма № 50
730
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
является электрический накопитель 5, способный аккумулировать
электрическую энергию в течение определенного времени. В стабилизатор входит также встроенный переключатель (транзистор 9),
управляющий потоком электрической энергии из накопителя.
При включенном зажигании на клемму 4 подается напряжение
(рис. 17.19, а). Внутренний переключатель, управляющий разрядом накопителя, разомкнут. Во время включении стартера (на клемму 12 подается ток) стабилизатор напряжения получает через клемму 11 сигнал на включение (триггер) (рис. 17.19, б). Этот сигнал
замыкает переключатель. Накопленная энергия поступает в цепи
питания и предохраняет напряжение от колебаний. После этого
переключатель размыкается, и накопитель снова заряжается.
Для облегчения запуска двигателей с непосредственным впрыском перед очередным троганием с места фирма Mazda разработала систему SISS, запускающую двигатель с помощью бензина
(рис. 17.20). Суть системы заключается в следующем. Один из
поршней двигателя останавливается в положении 30...120° от ВМТ
на такте рабочего хода. С началом движения (при отпускании педали тормоза) в цилиндры впрыскивается топливо и воспламеняется топливовоздушная смесь, таким образом производится запуск двигателя. При запуске двигателя в дополнение к энергии
сгорания топлива используется энергия стартера, который включается на непродолжительное время.
Для надежного пуска необходим запас воздуха в цилиндре
и остановка поршня в нужном положении. Остановка поршня
в требуемом допустимом положении осуществляется с помощью
а
б
Рис. 17.20. Система облегчения запуска двигателя SISS:
3
2
1
4
5
а — остановка поршня; б —
впрыск топлива и воспламенение топливовоздушной смеси;
1 — стартер; 2 — генератор; 3 —
дроссельная заслонка; 4 — границы допустимого положения
поршня; 5 — коленчатый вал
17.7. Гибридные автомобили
731
генератора. Для создания достаточного запаса воздуха в цилиндре
частота вращения коленчатого вала двигателя увеличивается перед остановкой от 600 до 1000 об/мин на три секунды.
Система SISS не имеет аналогов в мире, так как поршни приводятся в движение перед тем, как производится запуск двигателя,
в то время как в других системах вначале запускается двигатель.
Благодаря этому двигатель, оснащенный SISS, запускается почти
в два раза быстрее других, обеспечивая более плавный повторный
запуск и экономию топлива.
17.7. Гибридные автомобили
Термин «гибрид» берет свое начало от латинского слова hybrida,
что означает «нечто скрещенное или смешанное». В технике гибридом называют систему, в которой комбинируются две технологии.
В связи с концепциями привода термин «технология гибридного привода» применяется для обозначения двух направлений:
бивалентный (или двухтопливный) силовой агрегат;
гибридный силовой агрегат.
Под автомобилями с двухтопливным силовым агрегатом
подразумевают автомобили, у которых двигатель внутреннего сгорания способен работать на различных видах топлива. К примеру,
уже известны системы, в которых могут применяться минеральные и воспроизводимые виды топлива (дизельное/биодизельное)
или жидкие и газообразные топлива (бензин/природный газ/сжиженный газ), и число таких систем на рынке увеличивается.
Под автомобилями с гибридыми силовыми агрегатами понимаются комбинации из двух силовых агрегатов, работа которых
основана на разных принципах действия. В настоящее время под
технологией гибридного привода подразумевают комбинацию двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя-генератора. Элек
тродвигатель-генератор может использоваться как генератор для
выработки электрической энергии, тяговый электродвигатель для
движения автомобиля и стартер для запуска двигателя внутреннего сгорания.
Применение гибридных автомобилей стало актуальным в связи
с ограничениями выбросов CO2 и постоянно снижающимися запасами ископаемых источников энергии.
732
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
Гибридные схемы позволяют повышать надежность электромобилей и снижать эксплуатационные расходы. Возможны гибриды
с двигателями Стирлинга, инерционными маховиками, газотурбинными и другими двигателями. Применение гибридных систем
привода является промежуточным этапом развития электромобилей. Предполагается, что в будущем будут созданы коммерческие
образцы источников электропитания, которые обеспечат для легковых электромобилей и городских электроавтобусов такие же
эксплуатационные возможности, что и современные легковые автомобили и автобусы с приводом от двигателя внутреннего сгорания.
На этапе развития технологий снижения потребления углеводородных видов топлива модели автомобилей с гибридными системами являются очень перспективными.
Гибридные силовые агрегаты. Системы гибридных силовых
агрегатов делятся на четыре подгруппы:
параллельный гибридный силовой агрегат;
раздельный гибридный силовой агрегат (с разделенными
потоками мощности);
последовательный гибридный силовой агрегат;
раздельный последовательный гибридный силовой агрегат.
4
2
3
5
1
Рис. 17.21. Параллельный гибридный силовой агрегат:
1 — сцепление; 2 — двигатель внутреннего сгорания; 3 — электродвигательгенератор; 4 — аккумуляторная батарея; 5 — коробка передач
733
17.7. Гибридные автомобили
Параллельный гибридный силовой агрегат используется в том
случае, когда необходимо «гибридизировать» существующий автомобиль. Двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, генератор и коробка передач располагаются на одной оси (рис. 17.21).
Обычно в системе параллельного гибридного силового агрегата
используется один электродвигатель-генератор. Сумма единичной
мощности двигателя внутреннего сгорания и мощности электро
двигателя-генератора соответствует полной мощности. Эта концепция обеспечивает высокую степень заимствования узлов и деталей традиционного автомобиля.
В системе раздельного гибридного привода помимо двигателя внутреннего сгорания имеется электродвигатель-генератор
(рис. 17.22). Оба двигателя располагаются под капотом. Крутящий
момент двигателя внутреннего сгорания, так же как и от электро
двигателя-генератора, через планетарную передачу подается на коробку передач автомобиля. В противоположность параллельному
гибридному приводу снять таким образом сумму отдельных мощностей для привода колес невозможно. Вырабатываемая мощность
частично тратится на приведение автомобиля в движение, а также
2
4
3
1
Рис. 17.22. Раздельный гибридный силовой агрегат:
1 — двигатель внутреннего сгорания; 2 — электродвигатель-генератор; 3 —
коробка передач; 4 — планетарная передача
734
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
2
3
1
4
Рис. 17.23. Последовательный гибридный силовой агрегат:
1 — электродвигатель-генератор; 2 — коробка передач; 3 — генератор;
4 — двигатель внутреннего сгорания
накапливается в высоковольтной батарее в виде электрической
энергии.
В случае применения последовательного гибридного силового агрегата автомобиль оборудуется двигателем внутреннего сгорания, генератором и электродвигателем-генератором (рис. 17.23).
Однако в отличие от описанных ранее концепций мощность от
двигателя внутреннего сгорания не передается на колеса. Основной привод автомобиля осуществляет электродвигатель-генератор.
Если емкость высоковольтной батареи слишком низкая, запускается двигатель внутреннего сгорания. Через генератор двигатель
внутреннего сгорания заряжает высоковольтную батарею.
Раздельный последовательный гибридный силовой агрегат
представляет собой смешанную форму двух описанных выше гибридных приводов (рис. 17.24). Автомобиль оборудован одним
двигателем внутреннего сгорания и двумя электродвигателями-ге
нераторами. Двигатель внутреннего сгорания и первый электро
двигатель-генератор размещены под капотом. Второй электродви
гатель-генератор расположен на задней оси. Эта концепция используется для полноприводных автомобилей.
Двигатель внутреннего сгорания и первый электродвигательгенератор через планетарную передачу могут приводить коробку
735
17.7. Гибридные автомобили
1
2
3
4
Рис. 17.24. Раздельный последовательный гибридный силовой агрегат:
1 — первый электродвигатель-генератор; 2 — коробка передач; 3 — второй
электродвигатель-генератор; 4 — двигатель внутреннего сгорания
передач автомобиля. В этом случае одиночные мощности привода
не могут отбираться для привода колес в виде суммарной мощности. Второй электродвигатель-генератор на задней оси активируется при необходимости. В связи с таким конструктивным исполнением привода высоковольтная батарея располагается между
обеими осями автомобиля.
В работе гибридных автомобилей используются отличные от
обычных автомобилей агрегаты и режимы работы, основные из
которых рассматриваются ниже.
Рекуперация. В общем случае этот термин в технике означает
способ возврата энергии. При рекуперации имеющаяся энергия
одного вида преобразуется в другой, используемый в последующем вид энергии. Потенциальная химическая энергия топлива
преобразуется в трансмиссии в кинетическую. Если автомобиль
затормаживается обычным тормозом, то избыточная кинетическая
энергия посредством трения тормозных колодок превращается
в тепловую энергию и возникающее при этом тепло бесполезно
рассеивается в окружающем пространстве.
При использовании технологии гибридного привода дополнительно к классическим тормозам генератор используется в качестве моторного тормоза. В этом случае часть кинетической энергии
736
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
преобразуется в электрическую и таким образом становится доступной для последующего использования. Энергетический баланс
автомобиля улучшается. Этот вид регенеративного торможения
называют рекуперативным тормозом.
При движении автомобиля в режиме принудительного холостого хода или под уклон, а также при торможении система гибридного привода включает электродвигатель-генератор и использует
его в режиме генератора. В этом случае он заряжает высоковольтную
батарею, служащую для питания электродвигателя-генератора.
При движении автомобиля накатом электродвигатель-генера
тор, работающий в режиме генератора, преобразует из энергии
движения в электрическую энергию только такое количество энергии, которое требуется для работы АКБ бортовой сети (12 В).
Электрический ускоритель. По аналогии с функцией Kickdown
двигателей внутреннего сгорания для автомобилей с автоматической коробкой передач, которая делает доступной максимальную
мощность двигателя, гибридный привод располагает функцией
электрического ускорителя. При использовании этой функции
электродвигатель-генератор и двигатель внутреннего сгорания выдают свои максимальные индивидуальные мощности, которые
складываются в более высокое значение суммарной мощности.
Сумма индивидуальных мощностей обоих видов двигателей соответствует суммарной мощности трансмиссии.
Функция стоп-старт. В обычном автомобиле с системой стопстарт для отключения двигателя внутреннего сгорания автомобиль
должен остановиться. Автомобиль же с полным гибридным приводом может двигаться и на электрической тяге. Эта особенность
позволяет системе стоп-старт отключать двигатель внутреннего
сгорания на движущемся или катящемся накатом автомобиле.
Двигатель внутреннего сгорания включается в зависимости от потребности. Это может происходить в случае быстрого разгона, при
движении на высокой скорости, с высокой нагрузкой, при высокой
степени разреженности высоковольтной батареи. В этом случае
система гибридного привода может использовать двигатель внутреннего сгорания в сочетании с электродвигателем-генератором,
работающим в режиме генератора, для зарядки высоковольтной
батареи. В других случаях, например при медленном движении
транспортного потока, остановке на светофоре, при движении
737
17.7. Гибридные автомобили
в режиме принудительного холостого хода под уклон или накатом,
автомобиль с полным гибридным приводом может двигаться на
электрической тяге. Двигатель внутреннего сгорания при этом находится в режиме остановки, что позволяет снизить выброс токсичных веществ с отработавшими газами и СО2 в окружающую
среду и повысить в целом КПД привода.
Электродвигатель-генератор. Электродвигатель-генератор автомобилей с электрическим гибридным приводом заменяет обычный стартер двигателя внутреннего сгорания, а также обычный
генератор. Рассмотрим систему параллельного гибридного силового агрегата на примере автомобиля Touareg.
Электродвигатель-генератор (рис. 17.25), представляющий собой синхронный двигатель трехфазного тока, размещен между двигателем внутреннего сгорания и АКП.
В зависимости от условий и режима движения электродви
гатель-генератор выполняет различные задачи. При переходе от
электрического привода к приводу от двигателя внутреннего сгорания электродвигатель-генератор работает как стартер двигателя
внутреннего сгорания. В последующем режиме привода от двига1
2
3
4
7
6
5
Рис. 17.25. Электродвигатель-генератор и сцепление:
1 — силовой ввод электродвигателя-генератора; 2 — ротор; 3 — статор; 4 —
корпус гибридного привода; 5 — пружина нажимного диска; 6 — ведомый
диск сцепления; 7 — маховик
738
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
теля внутреннего сгорания электродвигатель-генератор переключается системой гибридного привода в режим генератора. Вырабатываемая при этом электрическая энергия через преобразователь
напряжения используется для зарядки высоковольтной батареи
(288 В) и АКБ бортовой сети (12 В).
При торможении автомобиля электродвигатель-генератор с помощью рекуперации вырабатывает электрическую энергию для
высоковольтной батареи и таким образом преобразует часть избыточной кинетической энергии обратно в электрическую энергию.
На педали тормоза находится датчик хода педали тормоза.
Если распознается торможение, система гибридного привода переключает электродвигатель-генератор, чтобы он заряжал высоковольтную батарею как генератор.
В режиме электрического привода функция электродвигателягенератора меняется с функции генератора на функцию тягового
электродвигателя.
При отсоединенном двигателе внутреннего сгорания электро
двигатель-генератор обеспечивает привод автомобиля. В зависимости от сопротивления движению (сопротивление воздуха, сопротивление качению, движение на подъем, сопротивление трения)
электродвигатель-генератор в режиме тягового электродвигателя
может разгонять автомобиль до скорости примерно 50 км/ч. Если же
водителю требуется более высокая скорость, то мощности электро
двигателя-генератора недостаточно. Поэтому система гибридного
привода самостоятельно запускает двигатель внутреннего сгорания.
Электродвигатель-генератор питается от силового электронного модуля по трехфазному электрическому кабелю. С помощью
силового электронного модуля постоянное напряжение 288 В преобразуется в трехфазное переменное напряжение, которое создает
в электродвигателе-генераторе трехфазное электромагнитное поле.
Электродвигатель-генератор состоит из алюминиевого корпуса, изготовленного литьем под давлением, внутреннего магнитного
ротора, статора с катушками электромагнитов, проставки для подсоединения к гидротрансформатору АКП, коренного подшипника
электродвигателя-генератора, трехфазного высоковольтного разъема.
Со стороны двигателя сцепление подсоединяется к двигателю
внутреннего сгорания и маховику. Трехфазные выводы подключены к катушкам электромагнитов таким образом, что три расположенные рядом катушки соединены с разными фазами.
739
17.7. Гибридные автомобили
а
б
2
Запитан –/+
–
+
3
Запитан +/–
1
Рис. 17.26. Принцип работы электродвигателя-генератора:
а — питание отсутствует; б — питание подключено; 1 — ротор; 2 — статор;
3 — магнитное поле статора
Принцип работы. Электродвигатель-генератор имеет обмотку
статора, которая в режиме двигателя создает вращающееся магнитное поле (рис. 17.26). Для создания магнитного поля на ротор
установлены постоянные магниты. Частота вращения синхронного двигателя регулируется с помощью частоты подаваемого трехфазного переменного тока. Для обеспечения плавной регулировки
частоты вращения синхронного двигателя применяется частотный
преобразователь. Датчики положения ротора постоянно отслеживают положение ротора. По их сигналам электронный блок управления определяет фактическую частоту вращения.
Если электродвигатель-генератор работает в режиме генератора, ротор приводится в движение внешним усилием привода через
коробку передач. Вследствие того что магнитное поле ротора перемещается относительно катушек электромагнитов статора, в катушках для каждой фазы возникает напряжение. Через катушки
последовательно проходит магнитное поле ротора.
В силовой электронный модуль интегрированы два преобразователя напряжения. Они преобразуют постоянное напряжение
288 В высоковольтной батареи для питания электродвигателягенератора и АКБ бортовой сети (12 В).
Поскольку электродвигатель-генератор представляет собой
синхронный генератор трехфазного тока, а аккумуляторы могут
накапливать только постоянное напряжение, в силовой электронный модуль интегрирован преобразователь (инвертор) высоковольтной батареи. Он преобразовывает постоянное напряжение 288 В
740
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
высоковольтной батареи для питания электродвигателя-генератора
в переменное трехфазное напряжение.
Если электродвигатель-генератор работает в режиме генератора, то преобразователь превращает переменное напряжение в постоянное напряжение 288 В для зарядки высоковольтной батареи.
Сглаживание выпрямленного напряжения для высоковольтной
сети осуществляется с помощью высоковольтной батареи, а для
бортовой сети с помощью АКБ (12 В).
Преобразователь напряжения бортовой сети представляет собой устройство сопряжения (интерфейс) между высоковольтной
системой и АКБ бортовой сети (12 В). Поскольку генератор в конструкции отсутствует, зарядка АКБ бортовой сети (12 В) может
осуществляться только с помощью электродвигателя-генератора.
Для этого постоянное напряжение 288 В из высоковольтной сети
необходимо преобразовать в зарядное напряжение для 12 В АКБ
бортовой сети.
Высоковольтная батарея представляет собой никель-металлгидридный аккумулятор. В этой батарее применяется гелиевый
электролит, что не позволяет вытекать ему в случае повреждения
батареи. Батарея состоит из двух модулей, каждый соответственно
с напряжением 144 В. Оба модуля батареи соединены друг с другом через защитный выключатель и при уровне зарядки в 75 %
вместе выдают напряжение 288 В.
Высоковольтная батарея имеет воздушное охлаждение. Два
вентилятора забирают незначительную часть воздуха для охлаждения из салона автомобиля. Отвод нагретого воздуха обеспечивается с помощью системы принудительной вентиляции.
Используемый в гибридных автомобилях электродвигательгенератор в качестве тягового электродвигателя, генератора и стартера заменяет применяемый в обычных автомобилях стартер и генератор. Кроме того, насосы системы охлаждения, усилителя
рулевого управления, вакуумного усилителя тормозной системы,
компрессора климатической установки, масляного насоса автоматической коробки передач и другие имеют электрический привод
в отличие от механического привода в обычных автомобилях.
В рассматриваемом гибридном автомобиле применяется обычное однодисковое сухое сцепление с гидравлическим приводом.
Сцепление управляется автоматически электрическим приводом.
17.8. Дополнительные устройства
741
Сцепление замкнуто, когда двигатель внутреннего сгорания рабо
тает. Если автомобиль движется на электрической тяге, находится
в режиме рекуперации или в неподвижном состоянии, двигатель
внутреннего сгорания отключен и сцепление разомкнуто. При вы
сокой степени разреженности высоковольтной батареи система гиб
ридного привода может запустить двигатель внутреннего сгорания
для зарядки высоковольтной батареи. В этом случае сцепление
замкнуто.
17.8. Дополнительные устройства
по снижению загрязнения окружающей среды
17.8.1. Дополнения к бензиновым двигателям автомобилей
с автоматической коробкой передач
У автомобилей с бензиновыми двигателями и автоматической
коробкой передач после холодного пуска двигателя и при вклю
ченной передаче с выжатой педалью тормоза дроссельная заслон
ка не закрыта, а автоматически приоткрывается на определенную
величину. Причинами приоткрытия дроссельной заслонки явля
ются необходимое для выполнения евронорм выброса вредных ве
ществ ускорение разогрева нейтрализатора после холодного пуска
двигателя и преодоление сопротивления гидротрансформатора.
Приоткрытие заслонки уменьшает разрежение во впускном
трубопроводе, что может привести к недостатку разрежения при
работе гидровакуумного усилителя. В связи этим у автомобилей
с бензиновыми двигателями и автоматической коробкой передач
применяется вакуумный электронасос, который создает дополни
тельное разрежение и обеспечивает эффективное действие ваку
умного усилителя тормозного привода.
В зависимости от модели автомобиля применяются вакуумные
насосы с принудительным управлением или с регулированием.
У автомобилей, оборудованных вакуумным насосом с прину
дительным управлением, вакуумный насос датчиками, например
давления, не контролируется. Обратная связь с блоком управления
двигателем отсутствует. В памяти блока управления двигателем
записана модель изменения давления во впускном трубопроводе.
742
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
Расчет давления в вакуумном усилителе тормозного привода производится по значениям следующих параметров: нагрузка двигателя; частота вращения коленчатого вала двигателя; положение
дроссельной заслонки; состояние выключателя тормозного сигнала.
В блоке управления двигателем производится сравнение рассчитанного значения давления в усилителе тормозного привода
с записанной в его памяти моделью. Если рассчитываемое давление
во впускном трубопроводе недостаточно, блок управления двигателем подает сигнал на блок управления вакуумным насосом, замыкая управляющий провод на «корпус», в результате включается
электропривод насоса.
В системах с регулированием вакуумным насосом (рис. 17.27)
применяется датчик, измеряющий разрежение во впускном трубопроводе.
В такой системе разрежение в усилителе тормозного привода
постоянно контролируется датчиком 5. При включенном зажигании на датчик подается питание под напряжением 5 В.
1
2
5
7
6
3
3
4
Рис. 17.27 Схема установки регулируемого вакуумного насоса тормозной
системы автомобиля с бензиновым двигателем и автоматической коробкой передач:
1 — электронный блок управления двигателем; 2 — вакуумный усилитель
тормозного привода; 3 — обратный клапан; 4 — подвод разрежения от впускного трубопровода; 5 — датчик разрежения; 6 — вакуумный электронасос; 7 —
реле включения насоса
743
17.8. Дополнительные устройства
Измеряемая датчиком величина сравнивается в блоке управления двигателем с записанным в его памяти заданным значением.
По результату этого сравнения вырабатывается сигнал на управление электродвигателем вакуумного насоса.
В датчике находится мембрана с тензорезисторами (рис. 17.28).
При изменении действующего на мембрану давления меняется
электрическое сопротивление тензорезисторов, используемое для
формирования сигнала, который после прохождения через встроенный в датчик усилитель подается как напряжение на его выходе.
В память блока управления двигателем введена характеристика,
в соответствии с которой производится регулирование процессов
включения и выключения вакуумного электронасоса. Момент включения насоса зависит от разрежения в вакуумном усилителе тормозного привода и от атмосферного давления. Последнее в зависимости от типа блока управления двигателем рассчитывается или
измеряется посредством встроенного в него датчика давления.
При малом разрежении во впускном трубопроводе мембрана
прогибается незначительно (рис. 17.28, а), поэтому сопротивление
тензорезисторов мало отличается от исходного значения, что соответствует небольшому изменению выходного напряжения.
При большом разрежении (рис. 17.28, б) во впускном трубопроводе под действием разрежения мембрана прогибается на большую величину, а сопротивление тензорезисторов соответственно
5
а
4
5
б
4
3
3
2
2
1
1
Рис. 17.28. Схема датчика разрежения:
а — состояние датчика при действии на него атмосферного давления; б — состояние датчика при действии на него разрежения; 1 — мембрана с тензорезисторами; 2 — измеряемое напряжение; 3 — микропроцессор; 4 — сигнал,
подаваемый на блок управления двигателем; 5 — напряжение питания
744
а
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
б
4
3
8
7
1
11
9
5
2
4
1
10
6
7
6
Рис. 17.29. Вакуумный электронасос:
а — общий вид электронасоса; б — разрез насоса; 1 — лопасть; 2 — насос; 3 —
электронный блок управления; 4 — впускной канал; 5 — электродвигатель;
6 — патрубок для подключения вакуумного усилителя тормозного привода;
7 — ротор; 8 — выпускной канал; 9 — камеры; 10 — корпус насоса; 11 — вал
ротора
увеличивается. Это обусловливает большее изменение выходного
напряжения.
Вакуумный электронасос состоит из электродвигателя и насоса
лопастного типа (рис. 17.29).
Электродвигатель 5 приводит насос 2, лопасти 1 которого прижимаются к цилиндрической поверхности корпуса центробежными силами. При вращении ротора, расположенного эксцентрично
относительно рабочей поверхности корпуса, объемы между лопастями в зоне впускного канала увеличиваются, а объемы между
лопастями в зоне выпускного канала уменьшаются. Поэтому воздух всасывается во впускное пространство и подается в выпускной канал насоса. В результате этого создается разрежение в подключенном к насосу вакуумном усилителе тормозного привода.
Вакуумный электронасос включается приблизительно на 1...2 с
после каждого пуска двигателя.
17.8.2. Радиатор с каталитическим покрытием
В отдельных штатах США существуют свои, отличные от других, нормы на токсичность от воздействия автомобилей на окружающую среду. Европейские нормы по токсичности могут не соответ-
745
17.8. Дополнительные устройства
ствовать данным нормам и автомобили европейских производителей не проходят нормы США по токсичности, а значит, и не могут
поставляться в США. Однако при оценке степени причинения
транспортным средством ущерба окружающей среде власти США
выдают так называемые «кредиты» за технические меры, ведущие к улучшению качества атмосферного воздуха. Зачисленные
кредиты компенсируют, например, усредненные эмиссии для моделей данного производителя.
Для получения разрешения использования своих автомобилей
в США (кредита) производитель Audi на моделях A3 устанавливает
радиатор со специальным каталитическим покрытием (рис. 17.30).
Вся поверхность радиатора двигателя покрыта каталитическим
слоем. При прохождении потока воздуха через радиатор с каталитическим слоем содержащийся в воздухе озон О3 преобразуется
в кислород О2. Озон является опасным для здоровья газом. Так как
расход воздуха через радиатор автомобиля может составлять до двух
килограммов в секунду, то автомобиль с радиатором, имеющим каталитическое покрытие, вносит существенный вклад в снижение
приземного содержания озона. Кроме того, данный тип радиатора
О2
О3
О3
Очищенный воздух
с пониженным содержанием
озона
О2
О3
О3
1
О2
Поток воздуха
с содержанием
озона
2
О3
3
Рис. 17.30. Радиатор с каталитическим покрытием:
1 — радиатор; 2 — датчик идентификации радиатора;
3 — штеккерный разъем
746
Глава 17. Системы снижения токсичности отработавших газов
препятствует попаданию содержащегося в атмосфере озона в салон автомобиля через систему кондиционирования.
Такая технология особенно действенна при сильном солнечном излучении и высоком содержании в воздухе вредных веществ.
Для того чтобы гарантировать наличие радиатора с каталитическим покрытием на автомобиле и не допускать его замены на
другой, на радиатор устанавливается датчик идентификации.
ГЛАВА
18
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КУЗОВА
ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ
Конструкция кузова автомобиля должна отвечать многим требованиям. С одной стороны, необходимо снижать его массу и улучшать аэродинамические качества, с другой — все большее значения приобретают факторы пассивной безопасности автомобиля.
Для удовлетворения этих противоречивых требований делают следующее:
используют алюминиевые и магниевые сплавы;
применяют высокопрочный листовой материал;
оптимизируют толщину панелей;
разрабатывают новые технологии соединения деталей;
добиваются (по возможности) наименьших зазоров в соединениях.
Общая конструкция кузова легкового автомобиля показана на
рис. 18.1.
Для выдерживания внешних нагрузок в легковых автомобилях
используются преимущественно несущие кузова. Несущий кузов
достаточно легкий, но благодаря целостной конструкции обладает
значительной жесткостью. Он изготавливается из тонких стальных штампованных листов различной формы, соединенных точечной сваркой.
Шумы и вибрации от силового привода и шасси могут легко
передаваться на несущий кузов, который выступает в роли акустической камеры и усиливает их. Поэтому при ремонте автомобилей,
поврежденных при столкновении, следует особое внимание уделять шумо- и виброизоляции.
Наряду с изготовленными из алюминия литыми деталями,
прессованными профилями и листовыми деталями на некоторых
748
Глава 18. Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля
1
18
2
17 16 15 14 13
3 4
5
6
12 10
11 9
8
7
Рис. 18.1. Кузов легкового автомобиля:
1 — подоконная балка; 2 — передняя балка крыши; 3 — лонжерон крыши; 4 —
задняя балка крыши; 5 — задняя стойка кузова; 6 — задняя панель; 7 — пол
в задней части кузова; 8 — задний лонжерон; 9 — средняя стойка кузова; 10 —
поперечина под задним сиденьем; 11 — передняя стойка; 12 — поперечина под
сиденьем водителя; 13 — порог; 14 — надколесная ниша; 15 — поперечная
балка опор двигателя; 16 — передний лонжерон; 17 — передняя поперечина;
18 — поперечина радиатора
Сталь
Алюминий
Рис. 18.2. Кузов автомобиля Audi TT Coupe
Глава 18. Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля
749
конструкциях кузова, например Audi TT Coupe, используются
стальные кузовные детали, которые в совокупности и образуют
структуру кузова (рис. 18.2).
Благодаря применению стальных кузовных элементов в задней части автомобиля достигается оптимальная развесовка по осям.
Проблемой при изготовлении таких кузовов является соединение
изготовленной из листовой стали задней части автомобиля с алюминиевыми деталями кузова. К соединениям алюминиевых и стальных узлов кузова предъявляются высокие требования по прочности и антикоррозионной защите. Термические методы соединений,
например сварка MIG, здесь неприменимы, поскольку этим способом нельзя создать соединения, обладающие соответствующей статической и динамической прочностью и не служащие источником
контактной коррозии. Для удовлетворения этих требований используются нетермические соединения, например заклепки со
специальным покрытием и болты в комбинации со склеиванием
(рис. 18.3).
Основой антикоррозионной защиты кузовных деталей в местах соединений алюминия и оцинкованной стали, подверженных
2
1
3
1
Рис. 18.3. Соединения алюминиевых и стальных деталей кузова:
1 — клей; 2 — заклепка; 3 — болт
750
Глава 18. Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля
коррозии, является использование клеящих веществ, благодаря
которым образуется изолирующий слой, препятствующий коррозионным процессам. Дополнительно все разнородные соединения
после катафорезного погружного окрашивания покрываются воском.
В связи со все более широким применением алюминия в качестве материала кузова и при соединении деталей из алюминия
и стали используются заклепки (рис. 18.4, а), штифты (рис. 18.4, б)
и винты (рис. 18.4, в). Такие соединения более дешевые и прочные
относительно просечки и точечной электросварки.
Штифтовое соединение устойчиво к изменению формы под
воздействием силы и образовано частичным продавливанием скрепляемых деталей с последующим свариванием их под давлением.
Однако соединение, полученное таким образом, обладает меньшей
а
1
2
4
3
б
1
5
4
3
в
6
Рис. 18.4. Установка заклепок, штифтов и винтов
при изготовлении кузова:
1 — пуансон; 2 — заклепка; 3 — матрица; 4 — соединяемые
детали; 5 — штифт; 6 — винт
Глава 18. Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля
751
прочностью, чем, например, заклепочное. Штифты применяются
на навесных деталях, например на дверях, капоте, крышке багажного отсека, задней арке колеса.
Заклепки используются в различных частях кузова автомобиля, но преимущественно для соединения листовых деталей, прессованных профилей и их комбинаций. Размеры заклепок и штифтов выбирают в соответствии с размерами соединяемых деталей.
При использовании винтов возможно создание любых соединений материалов, даже при одностороннем доступе. Винт со специальным покрытием заворачивают под давлением через отверстие в верхнем из соединяемых слоев. Отверстие в нижнем слое
при этом отсутствует.
Так как в конструкции широко используются стальные листы,
необходимо принимать меры по защите от коррозии, особенно
в нижней части кузова.
При изготовлении кузова применяют следующие меры для его
защиты от коррозии:
сводят к минимуму фланцевые соединения, острые кромки
и углы;
устраняют зоны, в которых может скапливаться пыль и влага;
выполняют отверстия для предварительной антикоррозионной обработки и обработки методом электрофореза;
обеспечивают доступ к элементам кузова для ввода ингибиторов коррозии;
устраивают вентиляцию полых элементов;
предотвращают проникновение пыли и влаги в скрытые полости;
выполняют дренажные отверстия;
сводят к минимуму зоны, подвергающиеся воздействию ударов камнями;
покрывают нижнюю часть кузова и те его части, которые
в наибольшей степени подвержены коррозии (двери и силовые
элементы в передней части автомобиля), специальными защитными средствами.
Кузов проектируется таким образом, чтобы выдерживать нагрузки во время движения и обеспечивать безопасность пассажиров в случае столкновения. Он должен сминаться, поглощать максимальное количество энергии в случае серьезного столкновения
752
Глава 18. Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля
и минимизировать вероятность получения пассажирами травм.
Поэтому кузов проектируют таким образом, чтобы при столкновениях его передняя и задняя части относительно легко деформировались, поглощая энергию удара, и одновременно были прочными,
защищая пассажирский салон.
Для повышения жесткости и способности поглощать энергию
удара кузов автомобиля изготавливают из деталей, имеющих различную форму сечения. При столкновении напряжения концентрируются в зонах деформации — на сминаемых (рис. 18.5, а) и на
поднимающихся (рис. 18.5, б) участках. В результате столкновения энергия удара проходит через весь кузов и деформирует менее
прочные элементы. Для повышения уровня защиты пассажиров
в передней и задней частях кузова используются участки, поглощающие энергию удара. Это лонжероны и верхние усилители
брызговиков крыльев, а также верхние боковые панели моторного
отсека. Лонжероны в задней части кузова проектируют таким образом, чтобы они поглощали энергию удара и защищали топливный бак.
Во многих случаях для повышения жесткости кузова применяют
лазерную сварку. Это полностью автоматизированный процесс получения высокопрочных сварочных соединений, что особенно
важно при соединении внешних панелей кузова, где требуется
чистота сварочного шва, высокая прочность и небольшой перехлест панелей.
а
б
Зоны деформации
(сминаемые участки)
Зоны с переменной
формой
Рис. 18.5. Зоны, поглощающие энергию удара, в задней части кузова
переднеприводного легкового автомобиля
Глава 18. Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля
753
Преимущества лазерной сварки:
малая деформация;
минимальная последующая обработка;
герметичность и высокая прочность шва;
хорошее состояние поверхности под окраску;
отсутствие коррозии.
Структура передней части современных легковых автомобилей разработана таким образом, чтобы в случае легкого ДТП (скорость до 15 км/ч) необходимо было менять только поперечину
бампера 5 и прикрепленные к ней поглотители энергии деформации 1 (рис. 18.6). Если повреждения структуры автомобиля более
значительны, тогда может возникнуть необходимость замены лонжеронов, для этого также следует отвернуть болтовое соединение.
Все значительные повреждения в передней части автомобиля могут быть устранены только сваркой соответствующих оригинальных деталей.
Для снижения массы кузова при сохранении его прочности
в современных автомобилях применяют высокопрочную сталь, доля
которой в верхней и нижней частях кузова составляет 50...60 %.
Применение высокопрочной листовой стали позволяет снизить
массу применяемых деталей кузова на 25 %.
Стальной листовой материал современных автомобилей подвергается электролитическому или термическому цинкованию.
2
1
3
5
4
Рис. 18.6. Нижняя часть легкового автомобиля Audi:
1 — поглотитель энергии; 2 — лонжерон 1; 3 — лонжерон 2; 4 — болтовое соединение; 5 — поперечина бампера
754
Глава 18. Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля
Соединение отдельных деталей кузова производится с помощью
лазерной сварки, обеспечивающей абсолютно гладкие швы.
Фланцы, подверженные активному коррозионному воздействию, обрабатываются специальными пастами (поливинилхлорид или эпоксидная смола) в зоне расположения точечных швов.
Перспективным направлением в развитии автомобильных кузовов является применение алюминия и в 2005 г. масса алюминиевых деталей на один автомобиль в Европе составила 130 кг.
Среди новых материалов, активно завоевывающих автомобилестроение, следует назвать пеноалюминий — чрезвычайно легкий,
жесткий, с высоким энергопоглощением при столкновении. Металлические пенистые структуры обладают и высокими характеристиками, обеспечивающими шумоизоляцию и термостойкость,
однако стоимость деталей из такого материала выше, чем у стальных, примерно на 20 %.
Разработан новый материал AAS трехслойной структуры, способный кардинально изменить конструкцию кузова и снизить его
массу до 50 %.
В конструкции концептуальных автомобилей компаний Audi
и Daimler-Benz использованы каркасы из прессованных алюминиевых профилей. Масса кузова модели Audi А8 за счет этого снижена до 810 кг.
Большой интерес представляет новый пластиковый материал
под маркой «Fibropur». В его составе — полиуретан и натуральные
волокна (лен и сизаль в равных пропорциях). Детали из такого
пластика отличаются легкостью, жесткостью, ударной вязкостью
и меньшей стоимостью в сравнении с полиуретаном.
Замена металлических узлов и деталей на пластиковые позволила уменьшить стоимость их производства. В результате уже на
данном этапе создаются условия для снижения себестоимости автомобиля на 20...30 %.
В настоящее время 48 % всех пластмассовых деталей в легковом автомобиле приходится на долю внутренней отделки кузова.
Однако пластмассы применяются и в других агрегатах автомобилей, например, самоклеящиеся листовые материалы для повышения жесткости и прочности кузова из тонких стальных листов,
оконные стекла из поликарбоната, которые на 40 % легче, всасывающие патрубки из полиамида на двигателях.
Глава 18. Конструктивные особенности кузова легкового автомобиля
755
Рис. 18.7. Выдвигаемый задний спойлер
В последнее время производители транспортных средств все
большее внимание уделяют химическим способам соединения
узлов и деталей автомобиля. Так, компания Chrysler разрабатывает концептуальный автомобиль (CCV) с кузовом из термопластов,
соединенным с рамой специальным клеем.
В кузовах отдельных автомобилей, например Audi TT, для повышения стабильности движения на высоких скоростях устанавливается выдвигаемый задний спойлер (рис. 18.7). На скорости
120 км/ч спойлер автоматически выдвигается, на скорости 80 км/ч —
возвращается в исходное положение. На скорости ниже 120 км/ч
выдвинуть спойлер можно вручную, при помощи выключателя
в центральной консоли.
Модуль заднего спойлера и сам спойлер установлены в крышке
багажного отсека. Модуль заднего спойлера с приводным блоком,
приводным валом и поворотными механизмами (шарнирами) прикреплен при помощи саморегулирующихся элементов к стальному
спойлеру, выдержанному в цветах автомобиля.
Производители автомобилей большое внимание уделяют травмобезопасным конструкциям кузова, которые описаны в параграфе 15.7.
Литература
Автомобили: Конструкция, конструирование и расчет. Системы управления и ходовая часть: учеб. пособие для вузов / А.И. Гришкевич [и др.].
Минск : Выш. шк., 1987. 200 с.
Автомобильный справочник. М. : За рулем, 2002. 896 с.
Впрыск дизельных двигателей. Легковые и грузовые автомобили, судовые установки, яхты, стационарные установки / под ред. С.В. Афонина.
Батайск : Пончик, 1999.
Гладов, Г.И. Легковые автомобили отечественного и иностранного
производства (Новые системы и механизмы): Устройство и техническое
обслуживание / Г.И. Гладов, А.М. Петренко. М. : Транспорт, 2002. 183 с.
Голубков, Л.Н. Топливные насосы высокого давления распределительного типа / Л.Н. Голубков, А.А. Савастенко, М.В. Эммиль. М. : ЛегионАвтодата, 2000. 176 с.
Гришкевич, А.И. Автомобили. Теория: учеб. для вузов / А.И. Гришкевич.
Минск : Выш. шк., 1986. 208 с.
Грехов, Л.В. Топливная аппаратура с электронным управлением дизелей и двигателей с непосредственным впрыском бензина: учеб.-практ. пособие / Л.В. Грехов. М. : Легион-Автодата, 2001. 176 с.
Данов, Б.А. Системы зажигания автомобильных двигателей / Б.А. Данов. М. : Телеком, 2003. 184 с.
Дизельные аккумуляторные топливные системы Common Rail: учеб.
пособие. М. : Легион-Автодата, 2005. 48 с.
Дизельные двигатели FORD. М. : Техно-ВООК, 2000. 272 с.
Попков, О.Н. Устройство, обслуживание и ремонт автоматических
трансмиссий: учеб. пособие / О.Н. Попков. М. : Роко, 2003. 332 с.
Ерохов, В.И. Системы впрыска бензиновых двигателей (конструкция,
расчет, диагностика): учеб. для вузов / В.И. Ерохов. М. : Горячая линия—
Телеком, 2011. 552 с.
Основы конструкции автомобиля / А.М. Иванов [и др.]. М. : За рулем,
2006. 336 с.
Инструментальный контроль автотранспортных средств: учеб. пособие / Е.Л. Савич, А.С. Кручек. Минск : Новое знание, 2008. 399 с.
Конструкция автомобилей. Электрооборудование. Системы диагностики: учеб. для вузов / С.В. Акимов, В.А. Набоких, Ю.П. Чижков; под
общей ред. доктора техн. наук, профессора А.Л. Карунина. М. : Горячая
линия — Телеком, 2005. Т. IV. 480 с.
Роговцев, В.Л. Устройство и эксплуатация автотранспортных средств /
В.Л. Роговцев, А.Г. Пузанков, В.Д. Олдфильд. М. : Транспорт, 1990. 432 с.
Твег, Р. Системы зажигания легковых автомобилей. Устройство, обслуживание и ремонт / Р. Твег. М. : За рулем, 1998. 96 с.
Литература
757
Роторный топливный насос высокого давления VR: учеб. пособие.
М. : Легион-Автодата, 2006. 52 с.
Савич, Е.Л. Топливная аппаратура легковых автомобилей. Бензин /
Е.Л. Савич. Минск : Автостиль, 2002. 160 с.
Системы управления дизельными двигателями; пер. с нем. М. : За рулем, 2004. 480 с.
Соснин, Д.А. Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой
автоматики современных легковых автомобилей: учеб. пособие / Д.А. Соснин. М. : СОЛОН-Р, 2001. 272 с.
Обслуживание и ремонт легковых автомобилей: учебник / Е.Л. Савич,
М.М. Болбас, В.К. Ярошевич; под общ. ред. Е.Л. Савича. Минск : Выш. шк.,
2000. 381 с.
Техническая эксплуатация автомобилей: учебник / С.В. Шумик, Е.Л. Савич. Минск : Выш. шк., 1996. 355 с.
Техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей: учеб. пособие / Е.Л. Савич, М.М. Болбас, В.К. Ярошевич; под общ. ред. Е.Л. Савича. Минск : Выш. шк., 2001. 479 с.
Топливные насосы высокого давления распределительного типа: учеб.практ. пособие / Л.Н. Голубков, А.А. Савастенко, М.В. Эмиль. М. : ЛегионАвтодата, 2000. 176 с.
Тормозные системы АБС. Устройство, принцип действия, проверка
и регулировка. М. : Ассоц. независимых издателей, 1998. 69 с.
Экология и ресурсосбережение на транспорте: учебник / М.М. Болбас [и др.]. Минск : Адукацыя i выхаванне, 2011. 296 с.
Казедорф, Ю. Системы впрыска зарубежных автомомбилей / Ю. Казедорф, Э. Войзетшлегер. М. : За рулем, 2000. 255 с.
Richard van Basshuysen. Handbuch Verbrennungsmotor / Richard van
Basshuysen, Fred Scafer. Wiesbaden, 2002. 888 s.
Hans-Hermann Braess. Viweg Hanbuch Kraftfahrzeugtechnik / HansHermann Braess, Ulrich Seiffert. Wiesbaden, 2001. 681 s.
Volkswagen Technical Site: http://volkswagen.msk.ru, http://vwts.info
По вопросам приобретения книг обращайтесь:
Республика Беларусь
Российская Федерация
ООО «Новое знание»
220050, а/я 79, Минск,
пр. Пушкина, д. 15а
Тел./факс: (10-375-17) 211-50-38
E-mail: nk@wnk.biz
http:// wnk.biz
Отдел оптовых продаж «ИНФРА-М»:
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31в, стр. 1
Тел. (495) 380-4260; факс (495) 363-9212
E-mail: books@infra-m.ru
Отдел «Книга–почтой»:
Тел. (495) 363-4260 (доб. 232, 246)
Учебное издание
Высшее образование: Бакалавриат
Савич Евгений Леонидович
ЛЕГКОВЫЕ АВТОМОБИЛИ
Учебник
Ведущий редактор
Редактор
Художник обложки
Компьютерная верстка
Корректор
С.В. Исаенко
Е.Г. Сазончик
С.В. Ковалевский
С.И. Лученок
Л.К. Мисуно
Оригиналмакет подготовлен ООО «Новое знание»
Подписано в печать 25.01.2013.
Формат 6090 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Петербург.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 48,0. Уч.изд. л. 40,38.
Тираж 1000 экз. Заказ №
.
ТК 205700-12279-250113
Общество с ограниченной ответственностью «Новое знание».
ЛИ № 02330/0552555 от 08.04.2009.
Пр. Пушкина, д. 15, ком. 16, Минск, Республика Беларусь.
Почтовый адрес: а/я 79, 220050, Минск, Республика Беларусь.
Телефон/факс: (10-375-17) 211-50-38
E-mail: nk@wnk.biz
http://wnk.biz
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 380-05-40, 380-05-43. Факс: (495) 363-92-12
E-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru